(掺铝的ZnO)-Ag和TiO2-Ag纳米涂层的抗菌多项评估：直接作用机制与间接作用机制的影响

《Advanced Materials Interfaces》：Antimicrobial Multi-Assay Evaluation of (Al-Doped ZnO)-Ag and TiO2-Ag Nanocoatings: Impact of Direct and Indirect Mechanisms

　　纳米结构涂层AZO-Ag和TiO?-Ag对多重耐药菌、真菌及病毒的抗感染效果及机制研究 摘要：本研究通过多模式分析（SEM、活/死荧光、CFU、实时PCR、ROS定量）评估了AZO-Ag和TiO?-Ag涂层对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、产超广谱β-内酰胺酶的大肠杆菌、白色念珠菌及H1N1流感病毒的抗菌效果，发现两种涂层均表现出高效杀菌特性（细菌减少99%，病毒灭活98%），但作用机制存在差异：TiO?-Ag以间接机制为主，AZO-Ag在直接接触下更有效。同时发现AZO-Ag对哺乳动物细胞毒性较高，提示其适用场景需谨慎选择。研究强调需结合多种测试方法全面评估涂层性能，并根据应用场景匹配材料和测试方法。

　　抗菌涂层作为应对全球公共卫生威胁的重要工具，其在抑制病原微生物传播方面展现出巨大的潜力。近年来，随着抗生素耐药性（AMR）问题的日益严重，传统消毒方法的局限性愈加明显，从而促使科研人员探索新型、高效且安全的抗菌材料。本文研究了两种纳米结构复合涂层——铝掺杂氧化锌与银（AZO-Ag）和二氧化钛与银（TiO?-Ag）——在聚酯基材上的抗菌性能，针对高优先级病原体，包括易感和耐药的大肠杆菌肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）细菌株、临床真菌株白色念珠菌（Candida albicans）以及H1N1流感病毒。通过多模式分析方法，包括扫描电子显微镜（SEM）、活/死荧光检测、菌落形成单位（CFU）计数、实时PCR和免疫荧光，辅以活性氧（ROS）定量，全面评估了这些涂层的抗菌活性及直接接触和间接作用机制的贡献。

研究结果显示，两种涂层均表现出强大的抗菌效果，尤其是通过间接作用机制。TiO?-Ag涂层在间接作用方面普遍优于AZO-Ag，而AZO-Ag在某些直接接触场景中展现出更高的抗菌效果。细菌的减少率可达约99%，病毒灭活率达到98%。然而，细胞毒性分析表明，这些涂层对成纤维细胞（fibroblast）的存活率有一定影响，这提示它们在非临床应用中可能更适用，如包装材料或频繁接触的表面。此外，该研究强调了单一抗菌测试方法的局限性，提出了通过多种方法综合评估抗菌性能和作用机制的必要性，最终提出了针对不同应用场景选择合适抗菌材料和评估技术的战略性建议。

抗菌微生物的传播途径广泛，从日常用品如门把手、座椅、公共交通工具、触摸屏、衣物等，到临床环境中的手术室工具、生物医学植入物、水和空气过滤系统，以及食品和饮料包装。传统化学消毒剂虽然在短期内有效，但对表面可能产生侵蚀性影响，并且对人类健康存在潜在危害。因此，寻找一种安全、环保且长期有效的抗菌表面处理方式成为当务之急。无机薄层和纳米结构涂层，尤其是金属和金属氧化物的组合，因其高效性、稳定性和广泛适用性而受到高度重视。这些材料能够通过多种机制抑制微生物的生长，包括物理破坏、离子释放和活性氧的生成。

在本研究中，两种纳米结构涂层均展现出良好的抗菌性能。对于易感的大肠杆菌肺炎克雷伯菌，AZO-Ag和TiO?-Ag分别诱导了约0.6和2个对数的细菌减少，而对耐药菌株，AZO-Ag在1.5小时内显著降低了金黄色葡萄球菌的生长，其减少率约为1个对数。相比之下，TiO?-Ag在3小时后表现出更显著的抗菌效果。此外，TiO?-Ag在抑制白色念珠菌方面效果尤为突出，显示出更强的抗真菌能力。对于病毒，两种涂层均能有效减少H1N1流感病毒的载量，达到约97-98%的病毒灭活率，说明它们在抑制病毒传播方面也具有重要意义。

然而，值得注意的是，这些涂层在某些情况下对哺乳动物细胞表现出一定的毒性。具体而言，使用MTT法评估的数据显示，AZO-Ag涂层导致细胞存活率下降95%，而TiO?-Ag则导致约70%的细胞损失。这种毒性主要归因于涂层中银的含量。尽管如此，研究指出这些毒性值可能被高估，因为实验中细胞与涂层接触的方式不同于实际应用中的情况。例如，在食品包装中，涂层材料的沉积量通常较低，远低于安全迁移限值，因此可以合理认为它们在食品接触材料中的使用是安全的。不过，为了进一步提升其安全性，仍需对涂层的组成和形态进行优化。

研究还深入探讨了抗菌机制，区分了直接接触机制和间接机制的作用。直接接触机制主要依赖于微生物与涂层表面的物理相互作用，如纳米结构对细胞的机械损伤、银离子和纳米颗粒的直接释放以及活性氧的生成。间接机制则涉及微生物通过周围介质与涂层的相互作用，例如纳米颗粒或离子通过液体扩散到微生物周围，从而抑制其生长。研究发现，不同微生物对这些机制的响应存在显著差异。例如，TiO?-Ag涂层对大肠杆菌肺炎克雷伯菌和白色念珠菌表现出更强的间接作用，而AZO-Ag则在某些直接接触场景中显示出更高的抗菌效果。此外，对于金黄色葡萄球菌，其对氧化应激的抵抗能力较强，因此其抗菌作用可能主要依赖于其他机制，如细胞膜的破坏或纳米颗粒的毒性。

从实验方法的角度来看，不同测试手段对抗菌效果的评估结果存在差异。例如，活/死荧光检测和SEM观察更倾向于反映直接接触机制的影响，而CFU计数和实时PCR则更侧重于间接作用的评估。因此，综合使用多种测试方法对于全面理解抗菌涂层的性能至关重要。这一研究的发现为抗菌材料的选择和评估方法的制定提供了重要参考，特别是在不同应用场景中如何选择适合的抗菌机制。

为了确保抗菌涂层在实际应用中的安全性和有效性，需要对其抗菌机制和毒性进行更深入的评估。特别是在生物医学应用中，如导管、牙科植入物、假体、起搏器、其他植入设备和伤口愈合系统，必须充分考虑涂层对哺乳动物细胞的潜在影响。此外，研究还强调了在设计抗菌表面时，需根据目标微生物的类型选择合适的材料和作用机制。例如，如果目标微生物更易受到直接接触的影响，那么应选择具有较强直接作用机制的涂层；反之，若目标微生物主要通过间接途径与涂层接触，则应优先考虑间接作用机制的材料。

综上所述，本研究通过系统的实验分析，揭示了两种纳米结构复合涂层在抗菌性能上的差异及其潜在的应用价值。这些涂层在抑制病原微生物方面表现出色，尤其是在非临床领域。然而，它们的细胞毒性提示在生物医学应用中需谨慎对待。因此，未来的研究应进一步优化这些材料，以降低其对哺乳动物细胞的潜在影响，同时保持其广泛的抗菌能力。此外，研究还指出，不同测试方法对抗菌效果的评估具有不同的侧重，建议在实际应用中结合多种方法，以全面评估抗菌材料的性能。这不仅有助于提升材料的抗菌效果，还能确保其在不同场景下的安全使用。