《Polymers》：Fungicidal Behavior of Polyethyleneimine—Polyacrylic Acid Complexes and Hybrids with Silver Nanoparticles: The Role of Filler and Morphology
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聚乙烯亚胺（polyethyleneimine, PEI）与聚丙烯酸（polyacrylic acid, PAA）的聚电解质复合物（interpolyelectrolyte complexes, IPEC）具有固有的生物杀灭活性，对多种表面具有高亲和力，并可通
聚乙烯亚胺（polyethyleneimine, PEI）与聚丙烯酸（polyacrylic acid, PAA）的聚电解质复合物（interpolyelectrolyte complexes, IPEC）具有固有的生物杀灭活性，对多种表面具有高亲和力，并可通过填料进行改性；因此，其可作为开发水性抗真菌制剂及前瞻性表面处理系统的平台。研究人员制备了PEI/PAA摩尔比为3/1和1/3的IPEC分散液，以及PEI/PAA-Ag+络合物。紫外光辐照金属-聚合物复合物在PEI富集型与PAA富集型复合物中分别形成尺寸高达30 nm与60 nm的纳米颗粒，该结论依据光谱学与透射电子显微学分析得出。电泳迁移率测量显示，3PEI/1PAA与1PEI/3PAA IPEC的电泳迁移率分别为+1.22 ± 0.13与?3.6 ± 0.3 (μm·s?1)/(V·cm?1)，这可归因于过量组分的带电环与尾链在胶体颗粒外部形成排列。该制剂的抗真菌活性通过悬浮试验针对六种霉菌菌株进行了评估。PEI富集型复合物表现出有限的活性，而PAA富集的IPEC在无银时不具备活性。银纳米颗粒的掺入显著增强了活性；1PEI/3PAA-Ag抑制了所有受测霉菌菌株。在生物膜形成测定中，其对P. polonicum和A. wentii的抑制效力分别达到99%与85%。3PEI/1PAA-Ag杂化材料的效力较低（分别为42%和87%）。总体而言，该复合材料对发育中的生物膜比对预先形成的生物膜更为有效。
真菌感染与污染对食品安全、农业及医学构成持续挑战，生产设施与设备表面是重要风险因素，因已建立的霉菌生物膜不仅导致食品腐败，还可能成为病原体的储存库而引发大规模疾病暴发；同时，医疗机构对微生物污染控制的关注日益增加，因易感患者群体不断扩大。银基化合物是最重要的抗真菌材料之一，银纳米颗粒可进入真菌细胞并形成细胞质聚集体，其活性被认为涉及与细胞器及蛋白质的相互作用、蛋白质和DNA损伤，且可持续释放银离子。近年来，基于银纳米颗粒的高分子抗真菌材料受到广泛关注，但银纳米颗粒的潜在毒性及其杀菌活性受尺寸与形貌影响显著，同时聚合物基质的特性对控制纳米颗粒合成、抗菌活性与胶体稳定性至关重要。聚电解质复合物（interpolyelectrolyte complexes, IPEC）由带相反电荷的聚阴离子与聚阳离子单元协同作用形成，在絮凝剂和表面改性等领域潜力巨大；其中，基于聚乙烯亚胺（polyethyleneimine, PEI）的IPEC因含阳离子基团而具有内在生物杀灭活性，以水为溶剂更具环境友好优势，且其亲水-疏水平衡可通过调节组成与化学计量比进行调控，从而调节与微生物包膜及材料表面的相互作用。然而，PEI/PAA复合物及其金属-聚合物杂化材料在不同组成下的真菌杀灭活性、特别是针对霉菌生物膜的作用尚缺乏系统比较。鉴于此，研究人员旨在制备非化学计量比的PEI/PAA复合物，考察其形态学特征，并首次对基于PEI的IPEC及其金属-聚合物杂化材料的真菌杀灭活性开展全面的比较评估。
研究人员制备了非化学计量比的PEI/PAA复合物，研究了其形态学特征，并首次对基于PEI的可变组成IPEC及金属-聚合物杂化材料的真菌杀灭活性进行了系统比较评估。研究以支化PEI和线性聚丙烯酸（polyacrylic acid, PAA）为原料，在pH 6条件下通过可控混合制备大分子复合物，并采用紫外光辐照还原银离子以制备银纳米颗粒杂化材料。研究通过悬浮试验评估了对游离霉菌的杀灭作用，并利用玻璃纤维滤膜模型分别考察了对预成型生物膜及发育中生物膜的抑制效力。主要结论表明，PAA富集的复合物在无银时不具备可检测的抗真菌活性，但掺入银纳米颗粒后，1PEI/3PAA-Ag杂化材料对所有受测霉菌菌株均表现出杀灭作用，且对发育中生物膜的抑制效果显著优于对成熟生物膜的作用。该工作旨在为仓库及食品生产设施开发杀菌涂层提供基础，因PEI-PAA复合物允许调节其与亲水及疏水表面的相互作用，以水为溶剂亦确保了消防安全与环境友好性。
研究人员采用的主要关键技术方法包括：利用紫外光（UV）辐照金属-聚合物络合物中的银离子进行光化学还原，制备银纳米颗粒；采用透射电子显微镜（transmission electron microscope, TEM）对纳米颗粒进行形貌表征与粒径分析；利用紫外-可见光谱（UV-Vis spectroscopy）监测银纳米颗粒表面等离子体共振吸收峰变化；通过动态光散射（dynamic light-scattering, DLS）测定复合物的平均水动力学直径及多分散指数（polydispersity index, PDI）；采用激光微电泳法测定复合物的电泳迁移率（electrophoretic mobility, EPM）；利用傅里叶变换红外光谱（FTIR spectroscopy）分析金属-聚合物络合物的形成；采用电位滴定法（potentiometry）监测游离银离子浓度。抗真菌实验采用六种分离自奶酪加工设施的霉菌菌株作为样本队列，通过改进的定量悬浮试验评估复合物对游离霉菌的杀灭活性，并在玻璃纤维滤膜生物膜模型中分别针对预成型生物膜及表面预处理后发育中的生物膜进行抗真菌效力评价。
3.1. PEI/PAA复合物及三元PEI/PAA-Ag纳米粒子杂化材料的制备与表征
研究人员通过可控混合稀释聚合物溶液，在pH 6条件下制备了非化学计量比PEI/PAA IPEC。动态光散射显示，过量聚阳离子的复合物（3PEI/1PAA）平均粒径为210 nm，多分散指数为0.192；过量聚阴离子的复合物（1PEI/3PAA）平均粒径为130 nm，多分散指数为0.171。电泳迁移率测量表明，3PEI/1PAA IPEC电泳迁移率为+1.56 ± 0.11 (μm·s
?1)/(V·cm
?1)，1PEI/3PAA IPEC为?2.97 ± 0.14 (μm·s
?1)/(V·cm
?1)，证实了过量组分的带电环和尾链在胶体颗粒外部形成排列。随后将AgNO
3溶液加入IPEC分散液制备金属-聚合物前驱体，在pH 6下加入可避免金属离子与质子竞争结合。紫外光辐照后，3PEI/1PAA-Ag体系主要生成5–20 nm的纳米颗粒；而1PEI/3PAA-Ag体系则形成大于60 nm的纳米颗粒及聚集体。UV-Vis光谱显示，辐照后表面等离子体共振吸收峰红移，且PAA富集体系的吸收峰更宽并出现肩峰，符合较大纳米颗粒及聚集体特征。TEM结果证实PAA富集复合物的纳米颗粒稳定化能力较低，这可能与其表面钝化程度较低有关，从而有利于抗真菌活性。
3.2.1. 大分子复合物及霉菌悬浮液中的杀菌活性
在针对六种霉菌（P. gladioli、P. rugulosum、P. polonicum、C. pseudochalastosporoides、B. cinerea和A. wentii）的悬浮试验中，游离PEI溶液对多数菌株有抑制作用，但对A. wentii无效，这可能与曲霉属细胞包膜表面疏水成分降低PEI吸附有关。3PEI/1PAA复合物的活性谱显著窄于游离PEI，仅对P. rugulosum和B. cinerea保持较高活性；1PEI/3PAA复合物则未表现出可检测的活性。研究人员认为，IPEC形成过程中PEI与PAA的相互作用阻断了大部分负责结合微生物表面的正电荷氨基，且疏水内核与空间位阻限制了活性位点与真菌表面的接触。掺入银纳米颗粒后，活性显著增强：3PEI/1PAA-Ag对五种菌株有抑制作用，但对A. wentii仍无效；而1PEI/3PAA-Ag对所有六种受测霉菌菌株均表现出完全杀灭作用。值得注意的是，1PEI/3PAA-Ag的抗真菌活性最高，尽管其游离银离子浓度（5 × 10
?6 M）低于3PEI/1PAA-Ag（3 × 10
?5 M），表明在该体系中主要活性贡献来自纳米颗粒与霉菌的相互作用，而非银离子释放。研究人员认为PEI富集体系中观察到的活性降低可归因于聚阳离子与银纳米颗粒表面之间的相互钝化，即含氮基团与银表面的强相互作用同时阻断了部分PEI单元并降低了纳米颗粒的可及性。
3.2.2. 大分子复合物对预成型和发育中霉菌生物膜的杀菌活性
在预成型生物膜模型中，各制剂总体表现出有限的活性。3PEI/1PAA对P. polonicum的效力为31%，对A. wentii无影响。1PEI/3PAA-Ag对P. polonicum的效力达到88%，但对A. wentii无效。3PEI/1PAA-Ag对两种菌株均未表现出明显效果。在表面预处理生物膜模型中，3PEI/1PAA对P. polonicum活性微弱（5%），但对A. wentii表现出强抑制作用（90%）。1PEI/3PAA-Ag对P. polonicum的效力高达99%，对A. wentii为85%。3PEI/1PAA-Ag对P. polonicum和A. wentii的效力分别为42%和87%。结果表明，该金属-聚合物复合材料对抑制生物膜早期发育、孢子黏附与初始附着，远比杀灭由胞外基质包裹的成熟生物膜更为有效。
讨论部分指出，大分子复合物及纳米杂化材料的组成与结构组织在其杀菌行为中起关键作用。IPEC的抗真菌活性取决于游离正电荷单元的存在，复合胶体颗粒的空间组织起决定性作用。含过量PEI的IPEC对某些霉菌菌株表现出杀菌活性，但与游离PEI大分子相比活性部分丧失，这归因于聚阳离子外部尾链与细胞膜相互作用的空间位阻；在PAA富集的复合物中，负电荷单元位于颗粒外部，从而阻断了活性。将银纳米颗粒作为填料掺入IPEC可显著提高杀菌活性。PAA富集的大分子复合物表现出最佳抗真菌性能；在PEI富集的杂化材料中生成了明显更小的银纳米颗粒，然而该杂化材料反而表现出较低活性，这一悖论性结果的一个合理解释是PEI与银纳米颗粒之间的相互钝化。研究还注意到，即使在同一属内，不同霉菌菌株对PEI基复合物及纳米杂化材料的敏感性也存在显著差异，表明反应不仅由聚合物体系的总体性质决定，还由特定菌株细胞壁的结构与功能特征决定。与游离PEI及两种IPEC相比，PEI/PAA复合物及其银杂化材料对真菌表现出相对较低的抗菌活性，这归因于真菌细胞膜相较于细菌膜更为稳定。
研究结论为：PEI/PAA复合物的杀菌活性取决于游离正电荷单元的存在，复合胶体颗粒的空间组织起关键作用。含过量PEI的IPEC对某些霉菌菌株表现出杀菌活性，但与游离PEI大分子相比活性部分丧失，这归因于聚阳离子外部尾链与细胞膜相互作用的空间位阻；在PAA富集的复合物中，负电荷单元位于颗粒外部，从而阻断了活性。将银纳米颗粒掺入IPEC作为填料可显著提高杀菌活性，PAA富集的大分子复合物表现出最佳抗真菌性能。在PEI富集的杂化材料中生成了明显更小的银纳米颗粒，然而该杂化材料表现出较低的活性，这一悖论性结果的一个合理解释是PEI与银纳米颗粒之间的相互钝化。即使在同一属内，不同霉菌菌株对PEI基复合物及纳米杂化材料的敏感性也存在差异，表明反应不仅由聚合物体系的总体性质决定，还由特定菌株细胞壁的结构与功能特征决定。
