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中国地质大学(武汉)/中南大学杨华明教授团队 AFM:计算与实验相结合深度探索纳米黏土矿物边缘面接触破坏细菌外膜的杀菌机制

时间:2022-11-23 来源: 浏览:

中国地质大学(武汉)/中南大学杨华明教授团队 AFM:计算与实验相结合深度探索纳米黏土矿物边缘面接触破坏细菌外膜的杀菌机制

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#纳米黏土矿物 2
#边缘表面 2
#接触杀菌 2
#DFT/MD 2
#质子耦合电荷转移 2

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在过去的几十年里,抗生素的过度使用或滥用导致了严重的健康问题,研制没有抗菌耐药性和其他副作用的新型抗菌材料以取代抗生素已成为一个迫在眉睫的问题。 世界各地的一些天然纳米黏土,可以杀死细菌且不会导致耐药性的出现。 然而,目前纳米黏土的抗菌机理还存在一些未解之谜,特别是接触杀菌机理方面仍缺乏对矿物抗菌机理的深入研究,限制了目前粘土基新型抗菌材料的开发与设计。

近期,中国地质大学(武汉) / 中南大学杨华明教授、傅梁杰教授等在《 Advanced Functional Materials 》期刊上发表了题为 Engineering Nanoclay Edges to Enhance Antimicrobial Property against Gram-Negative Bacteria: Understanding the Membrane Destruction Mechanism by Contact-Kill 的文章( DOI: 10.1002/adfm.202210406 ),发现通过等离子体刻蚀增加高岭石边缘面可显著提升高岭石的表面抗菌活性从而杀死革兰氏阴性菌,同时,首次结合实验和理论计算方法从原子尺度揭示了纳米黏土的接触抗菌机理。研究表明,纳米黏土边缘表面 Al-(OH) Al-(OH 2 ) 是抗菌的活性基团,大肠杆菌外膜与高岭石 (110) (1-10) 表面具有强氢键和范德华力相互作用,吸附在高岭石表面使得大肠杆菌外膜发生折叠;大肠杆菌外膜 LPS 与高岭石 (1-10) 表面之间的质子耦合电子转移,亦可破坏大肠杆菌外膜结构。通过这两种方式协同作用,高岭石边缘面将大肠杆菌杀死。此外,大肠杆菌在纳米黏土边缘表面的吸附会大大增加细菌与• OH 接触的概率而提升抗菌效果。考虑到大部分黏土矿物均具有 Al-(OH) 结构,该研究对其他黏土矿物的抗菌应用提供了新的思路。
研究不仅对天然纳米黏土抗菌作用提供了新的证据,而且对新型黏土基抗菌材料的设计提供了新思路,对天然抗菌材料替代现有抗生素和抗菌剂的未来发展具有重要意义。 博士生王杰为该论文的第一作者,通讯作者为杨华明教授和傅梁杰教授。
1   (a) Kaol TEM, AFM 图,以及 E. coli Kaol 相互作用 4 h TEM ( 从上到下 ) (b) E-Kaol 30 TEM, AFM 图,以及 E. coli E-Kaol 30 相互作用 4 h TEM ( 从上到下 ) 。图中黑色箭头表示 E. coli 外膜被破坏。 (c)Kaol E-Kaol 抗菌结果。 (d) 高岭石的不同边缘面结构示意图。
2   (a) Kaol E-Kaol 30 NMR 结果, (b) DFT 计算的高岭石的不同类型脱水能。
3   Kaol E-Kaol 30 (a) FTIR (b) XPS 结果。
4   LPS 在高岭石 (110), (100), (1-1 0), (010) (1-13) (a-e) 的相互作用分子动力学图。
5   S1-S5 (分别对应 a-e )在高岭石边缘面的吸附能。 (f) S1-S5 在高岭石边缘面的最小吸附能。 (g, h) K1 L1 在高岭石边缘面的吸附能。 (i) K1 L1 在高岭石边缘面的最小吸附能。
6   L1 在高岭石 (110) 表面形成的 (a) 氢键以及 (c) 界面之间的电荷密度图。 K1 在高岭石 (110) 表面形成的 (b) 氢键以及 (d) 界面之间的电荷密度图。 L1 在高岭石 (1 0) 表面形成的 (e) 氢键以及 (g) 界面之间的电荷密度图。 K1 在高岭石 (1 0) 表面形成的 (f) 氢键以及 (h) 界面之间的电荷密度图。
7   E-Kaol 30 抗菌机理示意图。

作者简介

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俄罗斯工程院外籍院士杨华明教授领衔的矿物材料团队,致力于矿物资源制备高性能材料的前沿基础及关键技术的多学科交叉创新研究,牵头创建了中国非金属矿行业矿物功能材料重点实验室,主要研究方向包括矿物功能材料、生物医药材料、肿瘤靶向药物、新能源材料、固废资源化、材料计算等,目前承担国家重点研发计划项目、行业重大科技攻关项目、湖北省重点研发 揭榜挂帅 课题、中德科学基金、国家自然科学基金等多项科研项目,与多家上市公司建立了长期的战略性合作。团队成员包括俄罗斯工程院外籍院士、国家杰出青年科学基金获得者、国家 万人计划 领军人才、国家自然科学基金委海外优青等,与美国、英国、加拿大、澳大利亚、德国等国家的多所世界一流大学保持长期交流与合作关系。学校拥有纳米矿物材料及应用教育部工程研究中心、地质过程与矿产资源国家重点实验室、生物地质与环境地质国家重点实验室等创新平台。团队现拟招聘博士后和特任研究人员,欢迎报名。相关链接: http://hmyang.cug.edu.cn/ index/index/details/?id=649

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202210406

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