浙江大學多位大牛合作ACS Nano：多酚輔助制備過渡金屬二硫化物納米片用于殺滅細菌生物膜的研究

【引言】

近年來，過渡金屬二硫化物（TMDs）納米片引起了科研人員巨大的研究熱情，并在生物醫學領域中顯示出了巨大的應用潛力。然而，如何發展一種綠色、高效的方法制備高質量的TMDs納米片，仍是該領域亟待解決的問題。基于前期對兒茶酚化學的研究，本文提出了一種通用的多酚輔助策略，可以方便地將各種TMDs剝離成單層或少層納米片。通過優化二硫化鉬（MoS₂）的剝離條件，剝離后的納米片的產率和濃度分別高達60.5％和1.21 mg/mL。這是目前最有效的水相剝離方法，并且對于多酚和TMDs納米材料的選擇具有普適性。剝離后的納米片具有優異的藥物負載能力，生物相容性和近紅外光熱效應。將抗生素負載于制備的單層MoS₂納米片上，利用MoS₂優異的光熱效應及近紅外響應的藥物釋放能力實現了光熱和藥物的協同殺菌作用。這些結果為超薄TMDs納米片的制備提供了一個頗具吸引力的策略，也為解決細菌生物膜的耐藥性問題提供了新思路。

【成果簡介】

目前主要有兩種策略合成單層或少層TMDs納米片。一種是自下而上的方法：通過前驅體的化學氣相沉積或者濕化學制備超薄2D納米材料；另一種是自上而下的方法：將層狀TMDs晶體直接剝離成單層或少層納米片。這些剝離方法主要包括機械剝離、液相剝離和化學/電化學堿金屬嵌入和剝離。其中，液相剝離法易于實施和大規模生產，被認為是最具潛力的策略。通常，它需要表面張力與TMDs的表面能(大約40~45 mJ/m²)匹配的特定溶劑，如N-甲基吡咯烷酮(40.8 mJ/m²)和二甲基甲酰胺(36.5 mJ/m²)。然而，這些有機溶劑通常有毒并且難以除去，對其生物醫學應用構成了巨大威脅。因此，從應用的角度來看，水相剝離是理想的選擇。但是由于不匹配的表面張力，必須添加水溶性表面活性劑，生物大分子和聚合物來降低水溶液的表面張力(72 mJ/m²)，從而穩定剝離后的TMDs納米片,防止重新堆積和聚集。但是這些剝離方案總是受制于較長的制造時間和單層納米片的低產率。因此，如何發展一種綠色、高效的水相剝離方法制備高質量的TMDs納米片仍然是一個巨大的挑戰。

近期，來自浙江大學的徐志康、計劍教授、姚克教授(共同通訊)等人在ACS Nano上發表了一篇題為“Polyphenol-Assisted Exfoliation of Transition Metal Dichalcogenides into Nanosheets as Photothermal Nanocarriers for Enhanced Antibiofilm Activity” 的文章。本文報道了一種有效的綠色剝離方法，使用多酚作為穩定劑將各種TMDs剝離成高質量的納米片分散液。經過2小時的剝離，就可以獲得高濃度的單層TMDs納米片分散液，這是迄今為止最快的水相剝離途徑。剝離后的單層TMDs納米片在生物醫學應用中起到兩個重要作用：1）利用其大表面積作為藥物納米載體，通過非共價吸附(疏水相互作用)負載抗生素青霉素(Pen)；2）利用其優異的NIR光熱效應調節抗生素的釋放，有效地降低細菌生物膜的耐藥性，促進抗生素向生物膜的傳遞，從而實現杰出的抗菌活性。這項工作不僅點亮了合成超薄2D納米片分散體的前景，而且進一步拓寬了其生物醫學應用。

【圖文導讀】

圖1 多酚輔助水相剝離TMDs過程的示意圖

a)天然多酚的分子結構：TA，EGC，EGCG和ECG。 兒茶酚主要含有EGC，EGCG和ECG；

b)多酚輔助TMDs的水相剝離的示意圖。層狀TMDs晶體是由大量單層通過弱范德華相互作用組裝而成。

圖2 剝離的MoS₂納米片測試

a）在不同時間點超聲處理后，TA溶液中剝離的MoS₂納米片的紫外-可見吸收光譜；

b，c）剝離的MoS₂納米片的低分辨和高分辨率TEM圖像；

c）中的插圖是MoS₂的快速傅里葉變換模式和晶體結構；

d）在TA溶液中剝離的MoS₂納米片的AFM圖像；

通過統計分析得到 e）MoS₂納米片橫向尺寸和 f）MoS₂納米片厚度的直方圖；

g）通過Material Studio 2017 R2的模擬退火方法計算一個TA分子和單層MoS₂納米片的優化結構和結合能；

h）通過Material Studio 2017 R2的模擬退火方法計算不同基團在單層MoS₂納米片表面的結合能。超聲功率為300W。MoS₂晶體和TA的濃度分別為2mg/mL和1mg/mL。

圖3 不同多酚溶液中剝離的MoS₂納米片的紫外-可見吸收光譜及其圖片

a）表沒食子兒茶素(EGC)；

b）表沒食子兒茶素沒食子酸酯(EGCG)；

c）茶兒茶素（EGC，ECG和EGCG）；

超聲處理后TA溶液中的其他TMD納米片的紫外-可見吸收光譜和相應的實物照片：（d）WS₂，（e）MoSe₂和（f）WSe₂；

(f) 剝離后WS₂，MoSe₂和WSe₂納米片的TEM圖像；

超聲功率為300W。TMD和多酚的濃度分別為2mg/mL和1mg/mL。 WS₂，MoSe₂和WSe₂的超聲時間固定為2小時。

圖4 MoS₂和MoS₂-Pen納米片相關測試

a）將Pen負載到MoS₂納米片上的示意圖；

b）經過72小時孵化后，MoS₂-Pen溶液在不同pH值下的實物圖片；

c）MoS₂納米片和MoS₂-Pen納米片在不同pH值下的Zeta電位；

d）MoS₂和MoS₂-Pen納米片的FT-IR光譜；

e）MoS₂-Pen納米片的熱重分析(TGA)曲線；

f）不同濃度的MoS₂-Pen溶液的溫度隨著NIR激光照射時間的變化，；

g）MoS₂-Pen溶液的溫度與不同NIR激光功率和照射時間的函數；

h）MoS₂-Pen溶液在NIR激光(3W/cm²)照射下的光熱效應。照射10分鐘后關閉激光。MoS₂-Pen的濃度為4.43mg/mL。插圖：照射10分鐘時MoS₂-Pen溶液的紅外熱圖像。

圖5 MoS₂和MoS₂-Pen納米片抗菌測試

a）在添加不同抗菌劑時的金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的數量：對照，NIR光，MoS₂納米片，游離Pen，MoS₂-Pen納米片，具有近紅外光的MoS₂納米片和MoS₂-Pen納米片；

b）用不同濃度的MoS₂和MoS₂-Pen納米片處理纖維細胞后的細胞活性，孵育12小時；

c）金黃色葡萄球菌和d）大腸桿菌在不同抗菌劑處理下的熒光顯微照片：

對照，NIR光，MoS₂納米片，游離Pen，MoS₂-Pen納米片，具有近紅外光的MoS₂納米片和MoS₂-Pen納米片；

綠色和紅色熒光分別代表活細菌和死細菌。NIR激光的功率和處理時間分別為3 W/cm²和20 min。

【小結】

本文提出了一種簡便、綠色且通用的策略，將TMDs剝離為由多酚穩定的單層或少層納米片。結果表明，單寧酸是更好的水溶性穩定劑，在優化條件下能夠獲得高產率(~60.5％)的單層MoS₂納米片分散液，這是目前最高效的超聲輔助水相剝離的方法。由于具有優異的生物相容性、高穩定性和強的NIR光吸收性，所制備的高質量MoS₂納米片具有優異的性能，可用作載藥抗生素Pen的藥物納米載體。此外，MoS₂-Pen納米片通過NIR驅動的光熱效應及近紅外響應的藥物釋放性能實現了光熱和藥物的協同殺菌作用，表現出優異的抗菌膜活性。此外，這項工作為超薄2D納米片的制備提供了獨特的見解，并為研究其潛在特性提供了很好的機會。

文獻鏈接：Polyphenol-Assisted Exfoliation of Transition Metal Dichalcogenides into Nanosheets as Photothermal Nanocarriers for Enhanced Antibiofilm Activity

(ACS Nano，2018， DOI: 10.1021/acsnano.8b06321)

本文由材料人編輯部高分子學術組水手供稿，材料牛編輯整理。

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【徐志康教授團隊介紹】

徐志康，博士，浙江大學求是特聘教授，國家杰出青年基金獲得者，國家優秀科技工作者，J. Membr. Sci.等期刊編委，現任浙大工學部副主任、浙江省吸附分離材料與應用技術重點實驗室主任。長期從事聚合物分離膜材料及其表界面工程基礎與應用基礎研究。發表SCI收錄論文300余篇，他引8800余次，H因子54，出版英文專著1部、中文專著2部，獲國家發明專利授權50多項。自2014年起，徐志康教授團隊對貽貝仿生化學的設計與應用開展了系統的基礎研究，以多巴胺和兒茶酚衍生物作為研究對象，相繼解決了快速、均勻、穩定、顏色、定向、黏附機理等問題，制備了梯度、自支撐、兩面神、仿生礦化等分離膜材料，應用于油水分離、膜蒸餾、二氧化碳固定、酶固定化、納濾、光催化膜反應器等領域。迄今課題組的貽貝仿生化學方向已在Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、J. Mater. Chem. A、ACS Appl. Mater. Interfaces、Chem. Commun.、Green Chem.、ChemSusChem以及J. Membr. Sci.等國內外著名期刊發表研究論文50余篇。