聚合物TESET既能殺細菌又能滅病毒了解一下

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來源：學術經緯

2019-08-15

此前我們介紹了多重耐藥菌（MDRO）——同時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(xiàn)耐藥性的細菌。這一概念之所以得到高度的關注，是因為病原體耐藥性問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產生的其中一個原因是抗生素濫用，抗生素耐藥性（AMR）已被世界衛(wèi)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AMR的人數將會達到1000萬，甚至超過每年死于癌癥的患者數量。

▲AMR與抗生素的發(fā)展（圖片來源：參考資料[1]）

面對這一問題，除了進一步發(fā)展新型的抗生素對患者進行有效的治療，通過表面消毒的手段及時阻斷病原傳播渠道、做好監(jiān)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消毒，物理消毒即利用紫外線輻射、高溫煮沸的方式殺滅病原體；化學消毒則涉及使用漂白劑、雙氧水等具有氧化作用的消毒劑，但這種方法可能會破壞醫(yī)療器械及設備，有時還會引發(fā)其他健康問題。人們還會將金屬（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，但這類金屬納米顆粒進入生物體內可導致生物富集，同樣會帶來環(huán)境及人類健康安全隱患。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可見光激發(fā)能產生單線態(tài)的氧，由此實現(xiàn)殺菌的作用。

▲不同表面消毒手段（圖片來源：參考資料[2]）

最近，北卡羅來納州立大學羅利分校（North Carolina State University, Raleigh）的Richard J. Spontak與Reza A. Ghiladi教授合作，發(fā)現(xiàn)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。相關成果發(fā)表在英國皇家化學會（RSC）旗下期刊Materials Horizons上。

▲圖片來源：參考資料[2]

▲TESET的分子結構（圖片來源：參考資料[1]）

一些聚合物材料可通過適當的官能化修飾產生抗菌效果，其作用機制是材料分子修飾的陽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(yī)療器械及設備，同時不會帶來環(huán)境影響。早期的研究表明，TESET相鄰結構單元間熱力學不相容，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(wěn)定性及機械強度，可應用于水源凈化、氣體分離與有機太陽能電池等領域。作者發(fā)現(xiàn)，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題，也不會因為磺化度過高在水中溶解，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(wěn)定。另外，磺酸基團在水溶液中可發(fā)生電離，產生的磺酸根陰離子與微生物細胞膜表面攜帶的電荷相同，但與此同時產生的水合氫離子可顯著降低其周圍環(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?；腔雀叩腡ESET52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（圖片來源：參考資料[2]）

他們進一步考察了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對不同革蘭氏陽性和陰性細菌的抑制情況（圖片來源：參考資料[2]）

TESET不僅對革蘭氏陽性細菌有效，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、鮑曼不動桿菌、肺炎克雷伯菌是六大超級細菌（ESKAPE）的四個成員，對現(xiàn)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(xiàn)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分鐘的光動力滅活手段效果相當。

▲TESET對病毒的滅活效果（圖片來源：參考資料[2]）

作者還指出，TESET的磺酸根可與金屬離子絡合，降低其抗微生物活性，但使用鹽酸甚至是檸檬汁這類酸性物質進一步處理，又可以使其重新恢復殺滅病原體的能力，因而可根據實際需要對這種材料進行抗微生物活性的調節(jié)。TESET的另一個優(yōu)點是可完全回收，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(yī)學材料、食品包裝以及智能紡織品等領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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