聚合物TESET既能殺細菌又能滅病毒了解一下

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來(lái)源：學(xué)術(shù)經(jīng)緯

2019-08-15

此前我們介紹了多重耐藥菌（MDRO）——同時(shí)對臨床使用的三種或三種以上作用機制不同的抗菌藥物呈現耐藥性的細菌。這一概念之所以得到高度的關(guān)注，是因為病原體耐藥性問(wèn)題目前正在以驚人的速度攀升，而已有的干預手段還相對有限。MDRO產(chǎn)生的其中一個(gè)原因是抗生素濫用，抗生素耐藥性（AMR）已被世界衛生組織（WHO）列為“2019年全球十大健康威脅之一”。美國疾病控制與預防中心（CDC）曾做出這樣的預測，按照耐藥菌如此快速的演化趨勢，到2050年，死于A(yíng)MR的人數將會(huì )達到1000萬(wàn)，甚至超過(guò)每年死于癌癥的患者數量。

▲AMR與抗生素的發(fā)展（圖片來(lái)源：參考資料[1]）

面對這一問(wèn)題，除了進(jìn)一步發(fā)展新型的抗生素對患者進(jìn)行有效的治療，通過(guò)表面消毒的手段及時(shí)阻斷病原傳播渠道、做好監管與防護對AMR也具有重要的預防作用。表面消毒的方法包括物理消毒與化學(xué)消毒，物理消毒即利用紫外線(xiàn)輻射、高溫煮沸的方式殺滅病原體；化學(xué)消毒則涉及使用漂白劑、雙氧水等具有氧化作用的消毒劑，但這種方法可能會(huì )破壞醫療器械及設備，有時(shí)還會(huì )引發(fā)其他健康問(wèn)題。人們還會(huì )將金屬（如Ag、Cu）或金屬氧化物（如ZnO、TiO2）納米顆粒嵌入聚合物材料中用于消毒，但這類(lèi)金屬納米顆粒進(jìn)入生物體內可導致生物富集，同樣會(huì )帶來(lái)環(huán)境及人類(lèi)健康安全隱患。除此之外，光敏劑也可摻入聚合物分子中，這種材料在氧氣存在的條件下經(jīng)可見(jiàn)光激發(fā)能產(chǎn)生單線(xiàn)態(tài)的氧，由此實(shí)現殺菌的作用。

▲不同表面消毒手段（圖片來(lái)源：參考資料[2]）

最近，北卡羅來(lái)納州立大學(xué)羅利分校（North Carolina State University, Raleigh）的Richard J. Spontak與Reza A. Ghiladi教授合作，發(fā)現五嵌段聚合物材料聚[叔丁基苯乙烯-b-（乙烯-alt-丙烯）-b-（苯乙烯磺酸）-b-（乙烯-alt-丙烯）-b-叔丁基苯乙烯]（TESET）可有效殺滅多種革蘭氏陽(yáng)性和陰性細菌，且殺菌迅速，5分鐘內即可殺死99.9999%的病原體。此外，這種聚合物不僅可以抗菌，對病毒也具有良好的滅活功效。相關(guān)成果發(fā)表在英國皇家化學(xué)會(huì )（RSC）旗下期刊Materials Horizons上。

▲圖片來(lái)源：參考資料[2]

▲TESET的分子結構（圖片來(lái)源：參考資料[1]）

一些聚合物材料可通過(guò)適當的官能化修飾產(chǎn)生抗菌效果，其作用機制是材料分子修飾的陽(yáng)離子物種與微生物細胞膜表面的陰離子物種發(fā)生靜電相互作用，從而誘導細胞膜破裂。這種殺菌方法可以避免損壞醫療器械及設備，同時(shí)不會(huì )帶來(lái)環(huán)境影響。早期的研究表明，TESET相鄰結構單元間熱力學(xué)不相容，因而可自發(fā)自組裝成具有納米結構的材料，其具有良好的穩定性及機械強度，可應用于水源凈化、氣體分離與有機太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域。作者發(fā)現，這種聚合物以磺化的苯乙烯作為中間嵌段，既克服了有機聚合物疏水的問(wèn)題，也不會(huì )因為磺化度過(guò)高在水中溶解，在水溶液條件下僅發(fā)生部分溶脹，呈水凝膠態(tài)，并可保持機械穩定。另外，磺酸基團在水溶液中可發(fā)生電離，產(chǎn)生的磺酸根陰離子與微生物細胞膜表面攜帶的電荷相同，但與此同時(shí)產(chǎn)生的水合氫離子可顯著(zhù)降低其周?chē)h(huán)境的pH，由此增加微生物細胞膜的外膜應力，促使其破裂，達到殺滅微生物的目的。

作者制備了兩種不同磺化度的TESET，分別為磺化度26 mol%的TESET26和52 mol%的TESET52，并以耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）為例考察其抗菌活性。磺化度高的TESET52滅菌效果更為出色，5分鐘內可殺滅99.9999%的MRSA。

▲TESET對MRSA的抗菌活性（圖片來(lái)源：參考資料[2]）

他們進(jìn)一步考察了TESET對其他細菌的抗菌效果，兩種聚合物均可以在5分鐘內殺滅99.9999%的對甲氧西林敏感的金黃色葡萄球菌，其中TESET26滅菌效果更佳。除此之外，兩者對耐萬(wàn)古霉素屎腸球菌（VRE）均具有良好的殺滅作用。

▲TESET對不同革蘭氏陽(yáng)性和陰性細菌的抑制情況（圖片來(lái)源：參考資料[2]）

TESET不僅對革蘭氏陽(yáng)性細菌有效，對革蘭氏陰性細菌也具有很好的抑制能力。鮑曼不動(dòng)桿菌、肺炎克雷伯菌以及大腸桿菌在TESET26與TESET52的作用下均可以有效殺滅。其中MRSA、VRE、鮑曼不動(dòng)桿菌、肺炎克雷伯菌是六大超級細菌（ESKAPE）的四個(gè)成員，對現有的大部分抗生素具有很強的耐藥性。

這種聚合物不僅可以殺滅細菌，還可以抵抗病毒微生物，表現出廣譜的抗微生物功效。水泡性口炎病毒（VSV）、甲型流感病毒均可以在TESET存在下有效滅活，人5型腺病毒（HAd-5）無(wú)包膜，因而滅活效果較差，但TESET52仍可以在5分鐘內滅活99.997%的HAd-5，與60分鐘的光動(dòng)力滅活手段效果相當。

▲TESET對病毒的滅活效果（圖片來(lái)源：參考資料[2]）

作者還指出，TESET的磺酸根可與金屬離子絡(luò )合，降低其抗微生物活性，但使用鹽酸甚至是檸檬汁這類(lèi)酸性物質(zhì)進(jìn)一步處理，又可以使其重新恢復殺滅病原體的能力，因而可根據實(shí)際需要對這種材料進(jìn)行抗微生物活性的調節。TESET的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可完全回收，一旦達到使用壽命，可重新溶解并澆鑄成型，達到循環(huán)使用的目的。此外，聚合物的末端呈疏水狀態(tài)，因而可通過(guò)物理交聯(lián)的手段對其固定，方便使用。

基于以上種種優(yōu)勢，我們相信這種聚合物有望在生物醫學(xué)材料、食品包裝以及智能紡織品等領(lǐng)域得到大力的推廣應用。

參考資料

[1] About Antimicrobial Resistance. Retrieved Aug 14, 2019, from https://www.cdc.gov/drugresistance/about.html

[2] Bharadwaja S. T. Peddinti et al., (2019). Inherently Self-sterilizing Charged Multiblock Polymers that Kill Drug-resistant Microbes in Minutes. Mater. Horiz., DOI: 10.1039/c9mh00726a

[3] Sulfonated Polymer Kills Drug-resistant Microbes in Minutes. Retrieved Aug 14, 2019, from https://www.chemistryworld.com/news/sulfonated-polymer-kills-drug-resistant-microbes-in-minutes/3010798.article

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