负载回收抗生素衍生碳点的壳聚糖/氧化葡聚糖水凝胶用于协同抗菌和抗氧化活性

《International Journal of Biological Macromolecules》：Chitosan/oxidized dextran hydrogel decorated with recycled antibiotic-derived carbon dots for synergistic antimicrobial and antioxidant activity

　　* 由回收抗生素废物合成的双功能碳点 (MCDs)。* 通过将 MCDs 掺入壳聚糖/氧化糊精中形成的 CS-MCDs/ODex 水凝胶。* MCDs 增强了水凝胶的交联密度、机械强度和稳定性。* CS-MCDs/ODex 水凝胶表现出增强的抗菌和抗氧化性能。## 引言微生物污染和氧化劣化是限制材料在生物医学和表面涂层应用中性能的两个主要挑战 [1], [2]。传统策略依赖于抗菌剂和抗氧化剂的联合使用，但这种方法存在潜在的累积毒性、化学不相容性、成本增加以及加速微生物耐药性风险等缺点 [3], [4], [5]。因此，对于能够同时提供抗菌和抗氧化功能且保持良好生物安全性的单一组分材料的需求日益增长。基于多糖的水凝胶因其优异的生物相容性、可生物降解性和成膜性能，已成为有前景的材料平台 [6]。其中，通过席夫碱交联的基于壳聚糖 (CS) 和氧化糊精 (ODex) 的水凝胶表现出良好的结构完整性、可注射性和自修复性能，使其在创可贴、组织工程支架和保护涂层等应用中具有吸引力 [7], [8]。然而，这些水凝胶缺乏内在的双重抗菌和抗氧化功能，这限制了它们在需要同时控制微生物污染和氧化应激的食品保存和伤口愈合等应用中的有效性 [9]。这一局限性推动了将功能添加剂掺入水凝胶基质以增强其生物活性的努力。碳点 (CDs) 因其可调的表面化学性质、优异的生物相容性和多样的生物功能，已成为有前景的生物活性添加剂 [10], [11]。在各种前体中，抗生素衍生的碳点特别有前景，因为它们可以在降低诱导细菌耐药性风险的同时保持甚至增强抗菌功效。例如，源自甲硝唑、左氧氟沙星和卡那霉素的碳点已显示出强大的抗菌活性 [12], [13], [14]。然而，它们的抗氧化性能通常未被充分探索。研究表明，增加碳点上的酚羟基数量可以显著提高其抗氧化活性 [15], [16]。这表明，具有适当分子结构的抗生素衍生碳点可以通过增加其表面的酚含量，工程化以实现强抗菌和抗氧化功能。与此同时，抗生素的广泛使用和排放构成了重大的环境风险，废水中发现高浓度的喹诺酮类抗生素，可能导致生态系统毒性和耐药基因的传播 [17], [18], [19]。然而，抗生素通常以低浓度存在于大量水中，使得直接降解效率低且成本高，而生物降解或化学氧化等传统处理方法无法回收它们 [20], [21]。在这种情况下，使用具有成本效益的吸附剂的基于吸附的回收提供了一条平衡环境保护与资源利用的有前景的替代方案。盐酸莫西沙星 (MOX-HCl) 是一种第四代氟喹诺酮类抗生素，具有优异的广谱抗菌活性 [22]。重要的是，其分子结构含有一个芳香骨架，预计在碳化过程中会转化为多酚结构，这种转变可能赋予所得碳点抗氧化能力。在本研究中，天然坡缕石 (ATP) 被用作吸附剂从水生环境中捕获 MOX-HCl。回收的抗生素随后通过水热过程转化为碳点 (MCDs)。所得的 MCDs 与 MOX-HCl 相比表现出增强的抗菌活性，并显示出强大的抗氧化活性，这是前体所不具备的，同时保持低细胞毒性。然后将 MCDs 掺入壳聚糖/氧化糊精水凝胶中。所得的复合水凝胶 (CS-MCDs/ODex) 表现出改善的机械稳定性、优异的可注射性、自修复能力和 pH 响应释放行为。以新鲜农产品为模型应用，展示了该复合水凝胶在抗菌和抗氧化涂层应用中的潜力 (图 1)。与主要关注抗生素衍生碳点抗菌活性的以往报道不同，这项工作揭示了 MCDs 也具有母体药物所不具备的强大抗氧化能力。此外，这项工作提供了一条将制药废物升级循环为高附加值纳米材料的生态友好途径，同时增强基于多糖的水凝胶在抗菌和抗氧化涂层应用中的生物活性。## 章节摘要### 材料坡缕石 (ATP) 购自江苏环境工程技术有限公司 (南京，江苏)。盐酸莫西沙星 (MOX-HCl) 购自阿拉丁生化科技有限公司 (上海，中国)。壳聚糖 (CS, Mw 100–300 kDa, 脱乙酰度 88–92%, 粘度 200–400 mPa·s) 购自上海麦克林生化有限公司。糊精 (Dex, Mw = 180 kDa) 购自上海长征制药厂 (上海，中国)。NaIO? 购自### MCDs 的回收与合成首先研究了使用天然坡缕石 (ATP) 从水溶液中回收盐酸莫西沙星 (MOX-HCl) 的实际可行性。如图 S1a 所示，在 40–60 min 内达到吸附平衡，在初始浓度为 5、20 和 100 mg/L 时，平衡吸附容量分别约为 130.44、219.49 和 351.54 mg/g。吸附行为更符合伪二级模型 (图 S1b-c)，表明### 结论在本研究中，从抗生素废物回收的碳点 (MCDs) 被用于构建壳聚糖/氧化糊精复合水凝胶 (CS-MCDs/ODex)。MCDs 保留了前体的抗菌基团并具有更高的正电荷，同时在碳化过程中产生了酚羟基，从而表现出增强的抗菌活性并获得了前体所缺乏的强大抗氧化能力。MCDs 的掺入显著增加了交联密度，### CRediT 作者贡献声明**Fuping Rao:** 写作 – 初稿，方法论，调查，形式分析，数据整理。**Jiaying Chen:** 调查，形式分析。**Yanhong Liu:** 调查，形式分析。**Tingting He:** 调查，形式分析。**Jingyi Sun:** 调查，形式分析。**Juan Du:** 写作 – 审阅与编辑，项目管理，方法论，资金获取，概念化。**Baozhan Zheng:** 写作 – 审阅与编辑，项目管理，方法论，资金获取。**Yong**## 竞争利益声明作者声明他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系，这些利益或关系可能看似影响了本论文中报告的工作。## 致谢这项工作获得了国家自然科学基金 (No. 21876117)、河南师范大学化学化工学院开放研究基金 (No. 2021YB05) 和湖北省矿山环境污染防控与修复重点实验室开放基金项目 (No. 2025KQHJ001) 的资金支持。Fuping Rao、Jiaying Chen、Yanhong Liu、Tingting He、Jingyi Sun、Juan Du、Baozhan Zheng、Yong Guo