浙江大学多位大牛合作ACS Nano：多酚辅助制备过渡金属二硫化物纳米片用于杀灭细菌生物膜的研究

【引言】

近年来，过渡金属二硫化物（TMDs）纳米片引起了科研人员巨大的研究热情，并在生物医学领域中显示出了巨大的应用潜力。然而，如何发展一种绿色、高效的方法制备高质量的TMDs纳米片，仍是该领域亟待解决的问题。基于前期对儿茶酚化学的研究，本文提出了一种通用的多酚辅助策略，可以方便地将各种TMDs剥离成单层或少层纳米片。通过优化二硫化钼（MoS₂）的剥离条件，剥离后的纳米片的产率和浓度分别高达60.5％和1.21 mg/mL。这是目前最有效的水相剥离方法，并且对于多酚和TMDs纳米材料的选择具有普适性。剥离后的纳米片具有优异的药物负载能力，生物相容性和近红外光热效应。将抗生素负载于制备的单层MoS₂纳米片上，利用MoS₂优异的光热效应及近红外响应的药物释放能力实现了光热和药物的协同杀菌作用。这些结果为超薄TMDs纳米片的制备提供了一个颇具吸引力的策略，也为解决细菌生物膜的耐药性问题提供了新思路。

【成果简介】

目前主要有两种策略合成单层或少层TMDs纳米片。一种是自下而上的方法：通过前驱体的化学气相沉积或者湿化学制备超薄2D纳米材料；另一种是自上而下的方法：将层状TMDs晶体直接剥离成单层或少层纳米片。这些剥离方法主要包括机械剥离、液相剥离和化学/电化学碱金属嵌入和剥离。其中，液相剥离法易于实施和大规模生产，被认为是最具潜力的策略。通常，它需要表面张力与TMDs的表面能(大约40~45 mJ/m²)匹配的特定溶剂，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，这些有机溶剂通常有毒并且难以除去，对其生物医学应用构成了巨大威胁。因此，从应用的角度来看，水相剥离是理想的选择。但是由于不匹配的表面张力，必须添加水溶性表面活性剂，生物大分子和聚合物来降低水溶液的表面张力(72 mJ/m²)，从而稳定剥离后的TMDs纳米片,防止重新堆积和聚集。但是这些剥离方案总是受制于较长的制造时间和单层纳米片的低产率。因此，如何发展一种绿色、高效的水相剥离方法制备高质量的TMDs纳米片仍然是一个巨大的挑战。

近期，来自浙江大学的徐志康、计剑教授、姚克教授(共同通讯)等人在ACS Nano上发表了一篇题为“Polyphenol-Assisted Exfoliation of Transition Metal Dichalcogenides into Nanosheets as Photothermal Nanocarriers for Enhanced Antibiofilm Activity” 的文章。本文报道了一种有效的绿色剥离方法，使用多酚作为稳定剂将各种TMDs剥离成高质量的纳米片分散液。经过2小时的剥离，就可以获得高浓度的单层TMDs纳米片分散液，这是迄今为止最快的水相剥离途径。剥离后的单层TMDs纳米片在生物医学应用中起到两个重要作用：1）利用其大表面积作为药物纳米载体，通过非共价吸附(疏水相互作用)负载抗生素青霉素(Pen)；2）利用其优异的NIR光热效应调节抗生素的释放，有效地降低细菌生物膜的耐药性，促进抗生素向生物膜的传递，从而实现杰出的抗菌活性。这项工作不仅点亮了合成超薄2D纳米片分散体的前景，而且进一步拓宽了其生物医学应用。

【图文导读】

图1多酚辅助水相剥离TMDs过程的示意图

a)天然多酚的分子结构：TA，EGC，EGCG和ECG。 儿茶酚主要含有EGC，EGCG和ECG；

b)多酚辅助TMDs的水相剥离的示意图。层状TMDs晶体是由大量单层通过弱范德华相互作用组装而成。

图2剥离的MoS₂纳米片测试

a）在不同时间点超声处理后，TA溶液中剥离的MoS₂纳米片的紫外-可见吸收光谱；

b，c）剥离的MoS₂纳米片的低分辨和高分辨率TEM图像；

c）中的插图是MoS₂的快速傅里叶变换模式和晶体结构；

d）在TA溶液中剥离的MoS₂纳米片的AFM图像；

通过统计分析得到 e）MoS₂纳米片横向尺寸和 f）MoS₂纳米片厚度的直方图；

g）通过Material Studio 2017 R2的模拟退火方法计算一个TA分子和单层MoS₂纳米片的优化结构和结合能；

h）通过Material Studio 2017 R2的模拟退火方法计算不同基团在单层MoS₂纳米片表面的结合能。超声功率为300W。MoS₂晶体和TA的浓度分别为2mg/mL和1mg/mL。

图3不同多酚溶液中剥离的MoS₂纳米片的紫外-可见吸收光谱及其图片

a）表没食子儿茶素(EGC)；

b）表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)；

c）茶儿茶素（EGC，ECG和EGCG）；

超声处理后TA溶液中的其他TMD纳米片的紫外-可见吸收光谱和相应的实物照片：（d）WS₂，（e）MoSe₂和（f）WSe₂；

(f) 剥离后WS₂，MoSe₂和WSe₂纳米片的TEM图像；

超声功率为300W。TMD和多酚的浓度分别为2mg/mL和1mg/mL。 WS₂，MoSe₂和WSe₂的超声时间固定为2小时。

图4 MoS₂和MoS₂-Pen纳米片相关测试

a）将Pen负载到MoS₂纳米片上的示意图；

b）经过72小时孵化后，MoS₂-Pen溶液在不同pH值下的实物图片；

c）MoS₂纳米片和MoS₂-Pen纳米片在不同pH值下的Zeta电位；

d）MoS₂和MoS₂-Pen纳米片的FT-IR光谱；

e）MoS₂-Pen纳米片的热重分析(TGA)曲线；

f）不同浓度的MoS₂-Pen溶液的温度随着NIR激光照射时间的变化，；

g）MoS₂-Pen溶液的温度与不同NIR激光功率和照射时间的函数；

h）MoS₂-Pen溶液在NIR激光(3W/cm²)照射下的光热效应。照射10分钟后关闭激光。MoS₂-Pen的浓度为4.43mg/mL。插图：照射10分钟时MoS₂-Pen溶液的红外热图像。

图5 MoS₂和MoS₂-Pen纳米片抗菌测试

a）在添加不同抗菌剂时的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的数量：对照，NIR光，MoS₂纳米片，游离Pen，MoS₂-Pen纳米片，具有近红外光的MoS₂纳米片和MoS₂-Pen纳米片；

b）用不同浓度的MoS₂和MoS₂-Pen纳米片处理纤维细胞后的细胞活性，孵育12小时；

c）金黄色葡萄球菌和d）大肠杆菌在不同抗菌剂处理下的荧光显微照片：

对照，NIR光，MoS₂纳米片，游离Pen，MoS₂-Pen纳米片，具有近红外光的MoS₂纳米片和MoS₂-Pen纳米片；

绿色和红色荧光分别代表活细菌和死细菌。NIR激光的功率和处理时间分别为3 W/cm²和20 min。

【小结】

本文提出了一种简便、绿色且通用的策略，将TMDs剥离为由多酚稳定的单层或少层纳米片。结果表明，单宁酸是更好的水溶性稳定剂，在优化条件下能够获得高产率(~60.5％)的单层MoS₂纳米片分散液，这是目前最高效的超声辅助水相剥离的方法。由于具有优异的生物相容性、高稳定性和强的NIR光吸收性，所制备的高质量MoS₂纳米片具有优异的性能，可用作载药抗生素Pen的药物纳米载体。此外，MoS₂-Pen纳米片通过NIR驱动的光热效应及近红外响应的药物释放性能实现了光热和药物的协同杀菌作用，表现出优异的抗菌膜活性。此外，这项工作为超薄2D纳米片的制备提供了独特的见解，并为研究其潜在特性提供了很好的机会。

文献链接：Polyphenol-Assisted Exfoliation of Transition Metal Dichalcogenides into Nanosheets as Photothermal Nanocarriers for Enhanced Antibiofilm Activity

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

本文由材料人编辑部高分子学术组水手供稿，欧洲足球赛事 编辑整理。

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【徐志康教授团队介绍】

徐志康，博士，浙江大学求是特聘教授，国家杰出青年基金获得者，国家优秀滚球体育 工作者，J. Membr. Sci.等期刊编委，现任浙大工学部副主任、浙江省吸附分离材料与应用技术重点实验室主任。长期从事聚合物分离膜材料及其表界面工程基础与应用基础研究。发表SCI收录论文300余篇，他引8800余次，H因子54，出版英文专著1部、中文专著2部，获国家发明专利授权50多项。自2014年起，徐志康教授团队对贻贝仿生化学的设计与应用开展了系统的基础研究，以多巴胺和儿茶酚衍生物作为研究对象，相继解决了快速、均匀、稳定、颜色、定向、黏附机理等问题，制备了梯度、自支撑、两面神、仿生矿化等分离膜材料，应用于油水分离、膜蒸馏、二氧化碳固定、酶固定化、纳滤、光催化膜反应器等领域。迄今课题组的贻贝仿生化学方向已在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.等国内外著名期刊发表研究论文50余篇。