银纳米粒子封端瓜尔胶-共聚丙烯腈杂化纳米复合材料的合成与表征：其对食源性致病菌的抗群体感应及抗生物膜作用潜力

《International Journal of Biological Macromolecules》：Synthesis and characterization of silver nanoparticles capped Guar Gum- co-Polyacrylonitrile hybrid nanocomposite: Anti-quorum sensing and anti-biofilm potential against food-borne pathogenic bacteria

　　摘要：生物膜与大约80%的慢性细菌感染以及65%的急性细菌感染有关。因此，针对群体感应调控的毒力因子和生物膜形成机制，有望成为开发新型抗菌药物的策略。在本研究中，通过化学修饰瓜尔胶链并与其结合聚丙烯腈链，采用生物合成方法制备了银纳米粒子封端的瓜尔胶-聚丙烯腈杂化纳米复合材料。通过XRD、XPS、UV–Vis光谱、SEM和TEM等技术分析了该材料的化学与结构特性。研究结果表明，瓜尔胶-聚丙烯腈基质中成功形成了银纳米粒子，且瓜尔胶已与聚丙烯腈链共聚，其平均粒径为16纳米。该纳米复合材料对大肠杆菌ATCC 25922、铜绿假单胞菌PAO1、紫色色杆菌ATCC 12472、单核细胞增生李斯特菌ATCC 19114以及粘质沙雷氏菌MTCC 97均表现出抗菌活性，其最小抑菌浓度较低。此外，该材料还能显著降低群体感应调控的相关物质生成，如紫色素、脓绿素、蓝绿素、鼠李糖脂、弹性蛋白酶和奇异霉素等。同时，它还能抑制生物膜的形成（幅度为58%–77%），减少已形成的生物膜量（幅度为43%–53%），并显著降低EPS、CSH和外源蛋白酶的含量。由此可见，该纳米复合材料不仅有助于遏制药物耐药性，还能有效防止与生物膜相关的食品腐败，保障食品安全。

引言：病原性细菌感染带来了严重的健康与经济问题，而抗生素的有效性正逐渐下降，这主要源于其滥用现象，从而导致多重耐药性的出现[1]。细菌可通过多种机制抵抗各类抗生素，包括基因突变、β-内酰胺酶的产生、酶学结构改变、靶点修饰、肽聚糖交联增强、膜通透性降低、外排泵功能强化以及生物膜形成等[2]。生物膜是由微生物构成的有序群落，它们被自身分泌的细胞外基质包裹，通过多种保护机制提高自身的存活能力及对抗抗菌物质的抵抗力[3]。根据美国国立卫生研究院的估计，生物膜与约80%的慢性感染以及65%的急性细菌感染相关[4]。细菌中的关键毒力调控机制之一就是群体感应，这是一种细胞间通讯系统，可协调毒力因子的表达，促进生物膜形成，进而帮助细菌抵御抗菌压力[5]。因此，干扰群体感应已成为削弱细菌毒力、应对药物耐药性的有效策略[6]。群体感应是细菌通过检测并响应特定信号分子浓度阈值来协调各种行为的通讯机制。有证据表明，阻断群体感应系统能够打破细菌间的协同作用，从而降低其致病性。所以，针对群体感应调控的毒力因子和生物膜形成机制，有望用于设计新一代抗菌药物，这类药物旨在抑制细菌毒力而非直接杀死细菌。

纳米技术近年来在全球范围内迅速发展，成为科学研究的重点领域。通常尺寸在10–100纳米之间的纳米粒子备受关注，尤其是银纳米粒子，由于其独特的物理、生物和化学性质而被广泛研究[7][8]。银纳米粒子可通过控制其成核和生长过程，并利用多种合成试剂来制备。此外，还可以通过蛋白质、生物聚合物或化学基团等分子封端剂对它们进行功能性修饰[9]。由于体积小且长宽比高，银纳米粒子具有出色的抗菌性能，可有效抵抗多种微生物，包括细菌、真菌和病毒[10]。此外，它们还被广泛应用于抗真菌、抗炎和抗病毒领域。研究表明，银纳米粒子对多重耐药菌株也具有活性，例如铜绿假单胞菌、红霉素耐药的化脓性链球菌、氨苄西林耐药的大肠杆菌、万古霉素耐药的金黄色葡萄球菌以及甲氧西林耐药的金黄色葡萄球菌[11][12][13]。

鉴于其强大的抗菌性能，银纳米粒子已通过多种化学和物理方法被制备出来，被广泛应用于表面改性、涂层制备、纤维接枝以及凝胶合成等领域。然而，传统的合成方法存在诸多缺陷，如需使用有毒化学品和溶剂，且会产生有害副产品[14][15]。随着科学技术的进步，出现了更为环保的金属纳米粒子合成途径。与化学合成法相比，利用微生物、植物提取物或生物聚合物进行银纳米粒子的绿色合成方法更为简便[16]。这种方法具有诸多优势，比如更加环保且成本更低。尤其是以淀粉、瓜尔胶、海藻酸、环糊精等生物聚合物为介质合成银纳米粒子，不仅能通过封端作用稳定纳米粒子，还无需维持细胞培养环境或无菌条件，因此更具优势[17][18]。瓜尔胶来自瓜豆植物，以其优异的增稠和稳定性能而著称，在食品工业中应用广泛，尤其是在乳制品领域。在所有水溶性天然多糖中，瓜尔胶的分子量较高，且能在冷水和热水中均易溶解，从而形成黏稠溶液[19]。作为一种经济型增稠剂和稳定剂，瓜尔胶可用于成膜、乳化和絮凝，因此在纺织、制药、印刷、烘焙及化妆品行业也有广泛应用[20][21]。虽然直接使用天然状态的瓜尔胶粉就已具有诸多优点，但通过引入功能性基团对其进行化学修饰，可进一步显著提升其性能。在本研究中，我们通过将聚丙烯腈链与瓜尔胶链进行化学结合，制得了具有适当封端位点的共聚物基质，从而在纳米复合材料合成过程中防止银纳米粒子聚集。聚丙烯腈是一种性能优良的聚合物，它在水环境中具有优异的润湿性，易于纺丝，且具备较高的机械强度和化学稳定性。其高分子链上含有大量极性的氰基（–CN），这些基团既能帮助细菌分子附着，从而有利于抗菌应用，又能为瓜尔胶提供机械强度，同时为银纳米粒子的分布提供合适载体[22][23]。

在本研究中，我们设计了一种经过化学改性的瓜尔胶-聚丙烯腈杂化基质，用于原位稳定银纳米粒子，最终得到一种结构独特的纳米复合材料——GPAG。瓜尔胶能为银纳米粒子提供空间稳定作用，但其化学功能有限，难以与细菌表面发生特异性相互作用。而聚丙烯腈则含有极性氰基，可增强对纳米粒子的约束作用，改善其分散状态，同时为与微生物细胞膜发生相互作用提供更多位点。通过将聚丙烯腈接枝到瓜尔胶上，形成瓜尔胶-聚丙烯腈杂化基质，我们旨在结合生物相容性的封端作用与化学功能性。因此，本研究的目的不仅是制备稳定的银纳米粒子，还要设计出具有更强抗毒力活性的多功能杂化基质。此外，本研究还将研究焦点从传统的抗菌作用转向针对性的抗毒力策略，通过在亚抑菌浓度下即可实现广谱群体感应干扰以及多条与生物膜相关的通路抑制。通过将聚合物工程技术与多靶点群体感应抑制相结合，所制备的杂化材料为控制与生物膜相关的感染及食源性病原体提供了一种具有创新机制的解决方案。据我们所知，目前尚未有研究系统探讨过GPAG在靶向群体感应通路及生物膜相关毒力特征以实现广谱抗菌作用方面的潜力。

实验部分：化学品与试剂
丙烯腈（纯度99%）和海藻酸钠（200 kDa）购自印度Merck公司；硝酸银（纯度>99.0%）和2,4-二硝基酚（纯度>98%）购自印度Sigma-Aldrich公司。所有试剂和化学品均直接使用，未进行进一步纯化。实验中所用的水均为去离子水。

GPAG纳米复合材料的合成
首先将0.025 M的硝酸银溶液溶解在去离子水中，然后将该溶液加入2%（w/v）的瓜尔胶均匀溶液中，置于磁力搅拌器中搅拌3小时。

结果与讨论
GPAG纳米复合材料是通过在瓜尔胶存在下还原硝酸银，再引入聚丙烯腈，从而形成含有分散银纳米粒子的瓜尔胶-聚丙烯腈杂化基质而制备的。银纳米粒子在瓜尔胶-聚丙烯腈杂化基质中的稳定，既得益于瓜尔胶多糖链提供的空间稳定作用，也可能与聚丙烯腈中的极性氰基与纳米粒子表面的相互作用有关。

结论
本研究通过生物合成方法制备了银纳米粒子封端的瓜尔胶-聚丙烯腈杂化纳米复合材料。通过化学修饰，瓜尔胶链与聚丙烯腈链结合，形成了具有适当封端位点的共聚物基质，从而在纳米复合材料合成过程中防止银纳米粒子聚集。表征结果显示，瓜尔胶-聚丙烯腈基质中成功形成了银纳米粒子，且瓜尔胶已与聚丙烯腈链发生共聚。所制备的GPAG纳米复合材料表现出良好的抗菌性能。

动物实验
所有作者均确认，本研究未涉及任何动物实验或动物组织。

财务关系
所有作者均声明，在当前及过去三年内，他们与任何可能对本研究感兴趣的组织之间不存在任何财务利益关系。

其他关系
所有作者均声明，不存在可能影响本研究的其它关系或活动。

作者贡献
Mohammad Zubair：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、项目管理、方法学、研究实施、资金获取、正式分析、数据整理、概念设计。
Fohad Mabood Husain：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法学、正式分析。
Imran Hasan：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法学、资金获取、正式分析。
Roba Alatawy：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿。

伦理审批
无需伦理审批。

资金支持
作者感谢塔布克大学科学研究院通过项目编号（0158-1443-S）为本研究提供的资金支持。

利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
作者感谢塔布克大学科学研究院通过项目编号（0158-1443-S）对本研究提供的资金支持。

Mohammad Zubair | Fohad Mabood Husain | Imran Hasan | Roba Alatawy | Shamina Begum | Marai M. Alamri | Yazeed Albalawi | Waad Ali M. Alkaabneh