背景:细菌引起的感染性疾病对人类健康产生了严重的威胁,已再次被认为是极为严重的全球性威胁之一。目前,细菌感染的治疗方法主要还是依靠传统的抗生素,然而,随着耐药菌株的不断出现,传统的抗生素已经越来越不能满足临床抗感染治疗的需求。因此,为了缓解或扭转细菌耐药性所带来的健康危机,发展新型高效抗菌制剂具有重要的现实意义。纳米酶是近年来发展起来的一种新型抗菌制剂,其抗菌机制在于纳米酶所具有的拟过氧化物酶和拟氧化酶活性,可以通过催化过氧化氢或氧气在短时间内产生大量的自由基,从而有效杀死细菌。在常见的纳米酶种类中,以碳材料为基础的纳米酶,即碳纳米酶,由于其具有模拟酶活性、光热性能、光催化性能等多重性能,在抗感染治疗方面受到了人们越来越多地关注。然而,碳纳米酶较低的模拟酶活性导致了其杀菌效果并不理想。因此,对碳纳米酶进行修饰和改造,如引入金属活性中心(Cu,Fe,Zn等),以获得较高的酶催化活性,是提高其抗菌活性的有效途径之一。然而,通过引入金属活性中心所构建的金属/碳杂化纳米酶,其本身的物理化学特性,如粒径大小、晶体结构、元素组成、含量和表面电荷等均可以影响其模拟酶活性,从而进一步影响抗菌活性。因此,研究纳米材料的组成或状态与模拟酶活性之间的关系,将有助于我们理解人工纳米酶及其衍生物的酶活性的来源,也为获得高催化活性的纳米酶提供实验基础和理论指导,进而可以理解与酶活性相关的抗菌性能。碳纳米酶,不同于其他金属及金属氧化物纳米酶的地方还在于其具有较大的比表面积,可以作为载体包覆和输送药物分子。这种药物载体与传统的磷脂或大分子聚合物等药物载体相比,在疾病治疗时,不仅可以发挥药物本身的药理作用,还可以通过自身的酶催化活性,达到协同治疗的效果。为此,我们将姜黄素(curcumin)引入碳纳米酶体系中,构建载药碳纳米酶。姜黄素是目前世界上销量最大的天然食用色素之一,属于天然植物提取物,原料来源广、成本低、无毒、无污染。医学研究表明,姜黄素具有降血脂,抗肿瘤,抗炎等功效。同时,姜黄素也是一种新型的光敏剂,在激发光为蓝光光源(波长范围420nm-480nm)的照射下,可以产生单线态氧,用于多种疾病的光动力疗法(PDT)。将姜黄素与作为药物载体的碳纳米酶结合起来,一方面通过姜黄素的PDT产生单线态氧发挥抗菌作用,另一方面,金属/碳杂化纳米酶也能通过发挥自身酶催化活性,杀死细菌,从而达到协同治疗的效果。基于上述背景,本论文在碳纳米酶中引入铜元素作为金属活性中心,设计合成了具有多种模拟酶活性的铜/碳杂化纳米酶,并通过调节铜元素的价态(从Cu2+到Cu0)来调控其模拟酶活性,以进一步确定模拟酶活性与抗菌性能之间的关系。论文对铜/碳杂化纳米酶的形貌、粒径、结构、多酶活性、细菌杀伤能力、杀菌机理等进行了详细地研究,同时也评价了它们在细菌引起的胃肠炎感染和伤口愈合方面的治疗效果。最后,将模拟酶活性较高的单质铜掺杂的碳纳米酶作为药物载体与姜黄素结合,考察该载药系统在蓝光照射下对细菌的抑制情况,从而为开发以碳纳米酶作为药物载体的新型抗菌剂奠定实验基础。目的:(1)铜纳米材料在抑菌方面一直都有广泛地应用,本论文通过制备铜/碳杂化纳米酶,观察其抑菌效果。(2)铜元素具有多种价态:二价、一价和零价,本论文通过考察不同价态的铜元素在碳纳米酶上的复合对其模拟酶活性和抗菌性能的影响,考察金属价态与模拟酶活性以及抗菌性能之间的关系。(3)利用铜/碳杂化纳米酶的抗菌性能对不同细菌引起的动物感染模型进行治疗。(4)以姜黄素为光敏剂的PDT具有较好的杀菌效果,将单质铜掺杂的碳纳米酶作为药物载体与姜黄素结合,考察该复合体系在蓝光照射下对细菌的抑制情况,从而为开发以碳纳米酶作为药物载体的新型抗菌剂奠定实验基础。方法:第一章铜/碳杂化纳米酶的催化活性及其抗菌性能研究本章以二氧化硅(SiO2)纳米球为模板,合成了两种不同铜价态的铜/碳杂化纳米酶,即单质铜掺杂的碳纳米酶(Cu-HCSs)和氧化铜掺杂的碳纳米酶(CuO-HCSs),并以未掺杂铜元素的碳纳米酶(HCSs)作为对照。首先,通过透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、高倍透射电子显微镜(HRTEM)等手段对铜/碳杂化纳米酶进行了一系列表征。此外,采用X射线衍射光谱(XRD)、X射线光电子能谱分析(XPS)以及拉曼光谱对它们的结构和组成进行了分析。随后,对Cu-HCSs和CuO-HCSs的多酶活性进行了分析,包括拟过氧化物酶、拟过氧化氢酶和拟超氧化物歧化酶。接着,研究所得纳米酶的抗菌活性并探讨其与H2O2联合使用的抗菌效果,同时分别对它们的抗菌机制进行研究,主要包括细菌内活性氧水平的检测、脂质过氧化水平的检测、细菌形态的观察以及细菌内核酸降解的情况等。最后,对铜/碳杂化纳米酶进行生物安全性评价,并构建鼠伤寒沙门氏菌引起的胃肠炎和金黄色葡萄球菌引起的伤口感染的小鼠模型,分别评价铜/碳杂化纳米酶对胃肠炎和伤口愈合的治疗效果。第二章载姜黄素铜碳纳米酶的抗菌效果初探本章在详细测定铜/碳杂化纳米酶性质的基础上,选择催化活性较高的Cu-HCSs作为药物载体负载姜黄素,制备载姜黄素铜碳纳米酶(Cur/Cu-HCSs)。通过TEM和傅里叶变换红外光谱(FTIR)对Cur/Cu-HCSs进行表征并详细测定其载药量。最后探讨Cur/Cu-HCSs在蓝光照射下的抗菌效果以及对质粒和蛋白的降解情况。结果:第一章:本章所制备的铜/碳杂化纳米酶均具有良好的石墨化程度,粒径约为100 nm,壳层厚度为5-10 nm,大小均一,分散性良好。通过HRTEM可以观察到CuO粒子(10nm左右)分布在CuO-HCSs的碳层上,而Cu-HCSs中的CuO则很难被观察到。铜/碳杂化纳米酶具有铜价态依赖的拟过氧化物酶、拟过氧化氢酶和拟超氧化物歧化酶活性。此外,它们的抗菌活性主要取决于铜元素的价态,并针对CuO-HCSs和Cu-HCSs提出了两种不同的抗菌机制:对于CuO-HCSs,其释放的Cu2+可引起革兰氏阴性菌的细胞膜损伤、脂质过氧化和核酸降解;而对于Cu-HCSs,其催化过氧化氢产生的活性氧是抗革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的决定性因素。为了证实铜/碳杂化纳米酶的抗菌能力,在鼠伤寒沙门氏菌引起的胃肠炎和金黄色葡萄球菌引起的伤口感染的小鼠模型中,我们发现CuO-HCSs对胃肠炎具有较好的治疗效果,大大提高了小鼠的生存率;同时,与单一疗法相比,Cu-HCSs和H2O2的联合使用能有效治疗伤口感染并促进伤口愈合。第二章:本章选择催化活性较高的Cu-HCSs作为药物载体负载姜黄素,制备载姜黄素铜碳纳米酶(Cur/Cu-HCSs),载药量达99%。TEM图显示,Cur可以负载至Cu-HCSs。傅里叶变换红外光谱中,特征峰的变化情况也说明Cur已成功负载至Cu-HCSs。抗菌实验中,与单一抗菌疗法相比,Cur/Cu-HCSs在蓝光照射下对各类细菌均具有很强的抗菌效果。此外,实验还发现Cur/Cu-HCSs在蓝光照射下可以降解大肠杆菌质粒和牛血清白蛋白(BSA)。