[發明專利]含有Zn-N-C活性中心的納米材料在去除細菌生物膜中的應用

有效

• 申請號: 202211181757.6
• 申請日: 2022-09-27
• 公開（公告）號: CN115532295B
• 公開（公告）日: 2023-07-25
• 發明（設計）人: 李瑞賓;高夢;鄭會珍;劉曦;潘嘉琦
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;A01N59/16;A01P1/00;C09D5/14
• 代理公司: 蘇州市中南偉業知識產權代理事務所(普通合伙) 32257
• 代理人: 楊慧林

本發明涉及含有Zn?N?C活性中心的納米材料在去除細菌生物膜中的應用，屬于生物技術領域。本發明基于菌群通訊是細菌生物膜形成的核心關鍵步驟這一原理，仿生天然蛋白酶的活性中心，設計合成Zn?N?C活性位點的納米類酶。該含有Zn?N?C活性中心的納米材料可以模擬天然內酯酶的活性，特異性的催化降解AHL類信號分子，阻斷菌群通訊，抑制細菌生物膜的形成。本發明使用的含有Zn?N?C活性中心的納米材料可用于環境中的生物膜防治，將納米涂層涂敷在如船舶、醫療器械等固體表面，可長時間防止生物膜的形成，減輕生物膜帶來的危害。

技術領域

本發明屬于生物技術領域，尤其涉及含有Zn-N-C活性中心的納米材料在去除細菌生物膜中的應用。

背景技術

細菌生物膜是由一種或多種微生物自發形成的復雜被膜結構，由細胞外多糖、蛋白質、DNA等生物分子及多種微生物群落構成，形成肉眼可見的粘膜狀物質。生物膜的形成有四個階段：①游離細菌的定植階段，少量微生物附著在生物或非生物表面；②菌群的不可逆粘附階段，細菌在物體表面開始大量增殖，合成及分泌多糖、蛋白質和DNA等，形成一定的空間結構；③生物膜的成熟階段，此時足夠數量的細菌間開始建立群體感應(Quorumsensing,QS)通訊，通過外泌信號分子(Autoinducers,AIs)，調控生物膜形成具有結構異質性的穩定空間結構，大量產生細胞外基質成分，共同進化抵御外界環境刺激；④生物膜的擴散階段，隨著生物膜的成熟，游離的細菌被分離釋放出來，在新的表面上附著，形成完整的生物膜循環。在此過程中，菌群通訊調控的生物膜成熟過程是影響生物膜形成的關鍵階段。

已有研究表明，形成生物膜結構的微生物其環境適應性強，耐受性好，抗剪切力強，對抗生素的耐受可提高至10倍-1000倍，已成為困擾食品工業、海運業及公共健康等領域的持久性頑疾。例如，全球每年因海運船體上的生物污染所產生的額外經濟消耗超過287億英鎊，其中超過100億英鎊用于生物附著船體產生的額外能源消耗。此外，據美國國立衛生研究院(NIH)統計，80％因細菌感染引發的疾病均與生物膜結構的形成有關，例如心內膜炎、囊性纖維化、牙周炎、鼻竇炎、骨髓炎、腦膜炎、腎臟感染、移植物引發的感染等。美國疾病控制中心(CDC)在2020年的數據顯示，每年因水源及運輸管線中細菌生物膜的形成而造成的疾病案例超過700萬例，其中6000例因感染而死亡，造成直接的經濟開銷超過30億美元。如何防治細菌生物膜的形成，是公共健康、生命科學等領域的科學難題。目前防治生物膜的策略可分為物理法、化學法和生物法三大類。

物理法：利用機械剪切、超聲、紫外及磁場等物理方式，去除物體表面生物膜。例如，在距離鏈球菌生物膜表面2mm的位置，利用超聲產生的氣穴，可以在2s內完全分解生物膜結構；Li等人在旋轉磁場中引入磁性納米顆粒，通過納米粒在磁場中旋轉產生的機械應力破壞金黃色葡萄球菌產生的生物膜結構，可使菌群數量下降5個數量級。然而，物理方法雖然在短時間內去除效率高，但難以對微生物徹底清除，少量殘留的微生物仍然有再次形成生物膜的潛力。

化學法：利用抗菌劑(抗生素、抗菌肽、金屬離子等)直接殺傷微生物，以實現生物膜結構的去除。近年來，從人體宿主防御系統、牛中性粒細胞、昆蟲及天然代謝產物中發現了多種天然的抗菌多肽如LL-37，Cecropins等。這些多肽也被廣泛報道同樣具有抗生物膜形成的特性。此外，以金屬銀、鈀、銅等進行表面修飾，通過金屬離子的緩慢釋放，也有良好的抗生物膜效果。Vaidya等人發現，通過鉑、鈀和金三種金屬離子聯用可以顯著抑制糞腸球菌，克雷伯肺炎鏈球菌和鮑氏不動桿菌生物膜的形成。然而，抗菌劑的大量實施會加速耐藥性的廣泛傳播。