自從上個世紀20年代末英國科學家弗萊明發現青霉素至今，各種各樣的抗生素相繼問世。抗生素對病原微生物具有抑制或殺滅作用，是防治感染性疾病的重要藥物。然而，抗生素的濫用導致了多重抗藥性的產生，這早已成為一個影響全球公眾健康的嚴峻問題。目前急需研制出一種新型有效抗菌材料來緩解“超級細菌”帶來的壓力。另一方面，尋找一種新型有效的細菌檢測手段也成為當務之急。
基于這些需求，天津理工大學高輝教授課題組開發了基于PGMA的兼具細菌檢測與抑菌活性的可生物降解高分子抗菌材料。
該研究利用正負電荷間相互作用，將聚集誘導發光單體（AIEgens）包裹在陽離子抗菌高分子內，構建了一種穩定的多功能納米粒子。由于細菌細胞壁主要由肽聚糖構成，它的膜表面電位為負值。所以當納米粒子遇到細菌后，電荷競爭作用會使部分AIEgens脫落，熒光強度明顯下降，從而實現細菌檢測（圖1）。
圖1. 納米粒子遇到不同濃度金黃色葡萄球菌（左），大腸桿菌（右）后熒光強度變化
另一方面，該課題充分、巧妙地利用“異性相吸、同性相斥”原理，將高分子修飾成可生物降解的材料。在降解之前，陽離子高分子Q-PGEDA-OP憑借雙季氨鹽，很容易吸附到細菌表面。與此同時，高分子側鏈疏水性8-C烷基鏈很容易插入細菌膜，使細菌膜破壞從而殺死細菌。這些特有的優點讓這種材料具有很高的抗菌效率，即便是對于耐藥菌依舊具有抑制作用。在發生降解之后，酯鍵斷裂產生羧基。羧基不但會與細菌表面電荷排斥，而且可以中和掉部分季氨鹽，這就使得材料的抗菌效果下降（圖2）。
圖2. 納米粒子熒光檢測、降解前后抗菌效果示意圖
目前，已有大量的文獻報道成功抑制耐藥菌的事例。但在這之中鮮有考慮自身帶來的耐藥性，這將會增加今后耐藥菌治療的難度。而優秀的抗菌材料應該在合適的時間內發揮抗菌作用，而“臨時工作”后在自然條件下降解失活，變為無活性材料。從掃描電鏡測試（SEM）結果可以看出，在降解前對于細菌作用明顯，細菌膜破損嚴重。降解之后的材料，對于細菌幾乎沒有作用，細菌的形態保存完好（圖3）。這避免了細菌與抗菌藥物長期接觸，降低耐藥性產生的可能。這種新型的抗菌材料未來將具有更多的應用前景。[Chem. Mater., 2018，DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b00251 ]。
圖3. 金黃色葡萄球菌（上）與大腸桿菌（下）掃描電鏡測試形貌
論文的第一作者為天津理工大學碩士研究生陳帥和大連理工大學陳麒先教授，通訊作者為天津理工大學高輝教授。
近年來，高輝課題組在高分子抗菌材料領域取得系列進展：（1）構建了一種以介孔硅為核包含抗生素（阿莫西林、AMO）、酶、高分子和透明質酸的生物復合納米材料（MSN-Lys-HA-PGMA）。這種材料在體內和體外均具備高效的抗菌活性，特別是在體內對耐藥細菌感染傷口具有很好的殺菌作用。[ACS Appl. Mater. Inter., 2015, 7, 17255-17263; Polym. Chem., 2018, 9, 228-235]; (2) 將b-CD和陽離子高分子偶聯，并通過超分子作用與AIE分子TPEDB復合構建一種兼具細菌檢測和抑制的新型抗菌劑。為細菌診、療提供一種新方法 [J. Mater. Chem. B, 2016, 4, 6350-6357]; (3) 使用MSN裝載AMO，然后采用LBL技術吸附乙二胺修飾的PGMA（PGEDA）、CB[7]、AIE 分子四苯基乙烯的羧基衍生物（TPE-(COOH)4），構建多功能納米聚集體 。CB[7]和TPE-(COOH)4的引入可以提高納米復合體的生物相容性。納米聚集體接觸細菌時，細菌表面的負電荷與PGEDA的正電荷作用，使得PGEDA與TPE-(COOH)4之間的作用力減弱，TPE-(COOH)4失去AIE效應，熒光減弱。特別是：在AD的作用下，AD與CB[7]形成更加穩定的包絡復合物，PGEDA解離，AMO響應性釋放，抗菌活性增強。[ACS Appl. Mater. Inter. 2017, 9, 10180?10189]。
