壳聚糖/沸石/金纳米复合材料的制备及其对变形链球菌的增强杀菌效率研究

　　本研究针对抗生素耐药性细菌及生物膜感染这一全球性健康挑战，开发了一种新型壳聚糖基纳米复合材料，通过引入沸石和金纳米颗粒（Au NPs）显著提升了材料的抗菌性能。研究人员采用直接合成法并结合Taguchi实验设计优化合成条件，结果表明该复合材料对变形链球菌（S. mutans）具有显著杀菌效果（最低存活率0.24 log10 CFU/ml），且金纳米颗粒贡献度最高（51.28%）。该研究为口腔抗菌生物材料的设计提供了新思路，具有重要的临床应用潜力。

　　

抗生素耐药性细菌的蔓延已成为全球健康危机，尤其生物膜形成是导致抗生素治疗失败的关键因素。在口腔领域，变形链球菌（Streptococcus mutans）是牙菌斑和龋病的主要致病菌，其通过代谢蔗糖产生不溶性胞外多糖，促进细菌黏附与生物膜形成，进而引发龋齿。传统抗生素策略难以有效清除生物膜，因此开发新型抗菌口腔生物材料迫在眉睫。

在这一背景下，Mohammadi等人于《BMC Oral Health》发表了一项研究，致力于开发一种基于壳聚糖（chitosan）的纳米复合材料，通过引入沸石（zeolite）和金纳米颗粒（gold nanoparticles, Au NPs）以增强其抗菌性能。壳聚糖虽具有生物相容性和抗菌性，但其热稳定性和机械性能较差，且抗菌效果有限。沸石作为一种无机晶体材料，具有离子交换能力和生成活性氧（ROS）的特性，此前研究已表明其与银、铜等金属结合后可增强抗菌作用。金纳米颗粒则以其高比表面积和形态可调性著称，可通过干扰细菌代谢和膜电位发挥抗菌效应。

研究采用直接合成法，通过Taguchi L9正交实验设计优化了壳聚糖、沸石和金纳米颗粒的浓度配比，以最小化变形链球菌存活率为目标。关键实验技术包括：X射线衍射（XRD）分析相组成和结晶性，傅里叶变换红外光谱（FTIR）鉴定功能基团，紫外-可见光谱（UV-vis）表征光学性质，场发射扫描电镜（FESEM）和透射电镜（TEM）观察形态与元素分布，热重分析（TGA）评估热稳定性，以及菌落形成单位（CFU）计数法测定抗菌活性。细菌菌株来自伊朗国家遗传与生物资源中心（IBRC）。

XRD分析

XRD图谱显示，纯壳聚糖在10.4°和19.92°处有特征峰，沸石（LTA型）在21.46°–34.86°范围内呈现多个晶体峰，金纳米颗粒则具有面心立方结构（FCC）的典型峰（38°、44°、65°和78°）。纳米复合材料中，壳聚糖峰强度减弱且部分峰位移或消失，沸石和金纳米颗粒峰也出现衰减，表明三者成功复合，且壳聚糖结晶度降低。

FTIR分析

FTIR光谱证实了各组分的功能基团：壳聚糖的O–H（3421 cm^?1）、N–H（1592 cm^?1）和酰胺基团，沸石的Si–O–Al/Si–O–Si（555 cm^?1和794 cm^?1），以及金纳米颗粒的 citrate 包覆特征峰（1586 cm^?1和1380 cm^?1）。复合材料中，壳聚糖的酰胺峰强度减弱，表明其与沸石和金纳米颗粒之间存在氢键和静电相互作用。

UV-vis分析

紫外光谱显示，壳聚糖在207 nm有吸收峰，沸石在264 nm有吸收，金纳米颗粒在542 nm处有表面等离子体共振峰。复合材料同时保留了这些特征峰，但沸石峰强度略有降低，进一步证明了三者的成功整合。

FESEM与TEM

FESEM显示复合材料颗粒尺寸为50–90 nm（平均68.40 nm），表面粗糙不规则。EDX分析检测到C、O、Ca（来自壳聚糖），Au（来自金纳米颗粒），以及Al、Si、Na（来自沸石），元素分布均匀。TEM图像显示金纳米颗粒呈球形且分散良好，沸石则呈不规则形态嵌入壳聚糖基质中。

TG/DTA

热重分析表明，纯壳聚糖在162–500°C降解，重量损失87.82%，而复合材料仅损失57.79%，且降解速率更慢，说明沸石和金纳米颗粒的加入显著提升了壳聚糖的热稳定性。

抗菌活性

实验7（壳聚糖6 mg/ml、沸石3 mg/ml、金纳米颗粒4.5 mg/ml）的抗菌效果最佳，变形链球菌存活率降至0.24 log₁₀ CFU/ml。方差分析（ANOVA）显示，金纳米颗粒贡献度最高（51.28%），其次为壳聚糖（24.32%）和沸石（16.84%）。交互效应分析表明，第三水平的金纳米颗粒与壳聚糖组合协同作用最强，可使细菌存活率降低23.29%。金纳米颗粒通过抑制tRNA与核糖体结合、降低膜电位和ATP合成发挥抗菌作用，沸石则通过离子交换和ROS生成增强效果，壳聚糖则通过阳离子特性破坏细菌膜完整性。

该研究成功制备出一种具有增强抗菌性能的壳聚糖/沸石/金纳米复合材料，并通过多维度表征证实了其结构、热稳定性及抗菌效能。优化后的复合材料对变形链球菌表现出显著杀菌活性，且金纳米颗粒为主要贡献组分。这一材料为开发新型口腔抗菌生物材料（如牙科填充剂、涂膜或植入涂层）提供了重要基础，有望用于龋病预防和治疗。然而，研究也指出需进一步开展体外和体内毒理学评估，以确保其生物相容性与临床安全性。