一种新型的CNC-ZIF-8纳米复合材料对致龋菌——变异链球菌表现出强烈的抗菌膜形成抑制作用

时间：2026年2月25日

来源：Microbial Pathogenesis

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口腔生物膜是龋齿和牙周病的主要诱因，而 Streptococcus mutans 是龋齿的主要致病菌。本研究通过整合金属有机框架（ZIF-8）与金纳米颗粒（AuNPs）或碳纳米晶体（CNCs），开发了新型纳米复合材料（Au/ZIF-8 和 CNC/ZIF-8）。实验表明，这些材料在酸性环境中可释放 Zn²⁺，同时 AuNPs 和 CNCs 在光照下产生活性氧（ROS），协同发挥抗菌作用。CNC/ZIF-8 组在中性环境下对 S. mutans 生物膜抑制率达 68%，且显著减少多糖基质（EPS）形成（>51%）。纳米复合材料对丙烯酸基材的 S. mutans 附着抑制率达 95%，其生物相容性和环保特性使其成为种植体表面涂覆的理想选择。

抗菌素耐药性实验室，跨学科生物技术单元，阿里格尔穆斯林大学，阿里格尔 202002，印度

摘要

口腔生物膜是导致龋齿和各种牙周疾病的关键因素。变形链球菌是引起龋齿的主要细菌。牙科植入物常用于替代缺失的牙齿，但生物膜在这些植入物上的积聚是导致植入物失败的主要因素。在牙科领域，金属有机框架（MOFs）在解决龋齿（俗称蛀牙）这一普遍问题方面显示出潜力。ZIF-8在典型的龋齿酸性环境中能够释放pH响应性的Zn²⁺。碳纳米晶体（CNC）和金纳米粒子（AuNPs）是具有生物相容性的纳米粒子，在光照下会产生活性氧（ROS），从而增强抗菌效果。它们共同提供了靶向、双重的抗菌作用。使用功能化的MOFs（Au/ZIF-8和CNCs/ZIF-8）可以从唾液或牙菌斑中选择性地捕获致龋细菌或其代谢产物。本研究探讨了ZIF-8衍生的纳米复合材料（Au-Np/ZIF-8和CNC/ZIF-8）在中和变形链球菌的致龋特性方面的抗菌效果。变形链球菌生物膜的基本毒力特征包括代谢产酸、环境酸耐受性和胞外多糖（EPS）基质形成。体外研究表明，使用Au/ZIF-8可使生物膜生长减少64.31%，使用CNC/ZIF-8可使生物膜生长减少68%。结果表明，用亚MIC浓度的CNC/ZIF-8处理可减少超过51%的EPS形成。本研究首次评估了CNC/ZIF-8纳米复合材料作为牙科植入物表面改性材料的潜力。用CNCs/ZIF-8处理的丙烯酸基底显著抑制了变形链球菌生物膜的形成（减少了95%）。其生物相容性使其成为涂层植入物的理想选择。

引言

龋齿是医疗保健面临的主要危害，它是全球最常见的疾病¹。几乎所有人都会受到牙齿龋齿的影响²。尽管这种疾病是可以预防的，但在低社会经济群体中更为普遍，并且在过去三十年中，其发病率并没有显著下降。“龋齿”这一概念既包括细菌感染，也包括相关的组织破坏。致龋机制在生物膜生态系统中运作，这些生态系统无论pH值如何波动都能持续发挥作用³，从而导致牙齿硬组织结构的病变。龋齿是由于频繁食用甜食⁴引起的，这会改变口腔中通常存在的生物膜微生物群，使其变成产酸、耐酸且具有致龋性的微生物群。这种改变可能导致亚临床变化或牙齿硬组织的显著脱矿，表现为临床上可检测到的龋齿病变³。龋齿的主要罪魁祸首是组织在细胞外基质中形成的致病细菌⁵。此外，生物膜细菌比浮游细菌更能抵抗抗菌治疗（6），（7）。

沸石咪唑框架（ZIFs）属于金属有机框架（MOF）家族的多孔材料，其分子筛结构是由咪唑氮供体与二价过渡金属阳离子螯合形成的⁸，（9），（10）。由于其出色的热稳定性和化学稳定性以及独特的微孔结构¹¹，（12），ZIFs材料已成为晶体多孔材料研究中的热点领域。像大多数ZIFs一样，ZIF-8具有巨大的孔腔和狭窄的孔径¹³，（14），（15）。这些框架因在气体储存和分离技术（16），（17）、催化（18）和药物输送应用（20）中的潜在用途而受到科学界的广泛关注。已经有一些实验将不同的纳米材料封装到MOFs中。Iraj等人制备了一种壳聚糖-聚乙烯氧化物（CS-PEO-ZIF-8）纳米纤维，对食物中的金黄色葡萄球菌（S. aureus）具有100%的抗菌效果²¹。为了促进皮肤伤口愈合，另一组研究人员Chen等人开发了具有良好生物相容性、抗炎和抗菌特性的纳米级锌基MOFs（Zn-BTC）²²。

许多具有抗菌特性的纳米材料已被用于维护口腔健康，包括抗生素、抗菌漱口水、草药产品等。这些材料包括石墨烯、壳聚糖、生物活性玻璃、二氧化钛、羟基磷灰石、氯己定、酪蛋白磷酸盐-无定形磷酸钙（CPP-ACP）、氟化钙、金纳米粒子、金纳米粒子、氧化锌纳米粒子以及纳米复合材料²³，（24），（25），（26）。根据早期的抗菌研究，CNCs的特性使其具有克服口腔抗生素缺点的巨大潜力。多项研究表明，CNCs符合标准，具有成为非常有效的口腔抗菌剂的潜力。Li等人使用电化学方法从维生素C制备了CNCs，并研究了它们对不同菌株的抗菌效果。结果表明，CNCs能够成功抑制革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的生长²⁷。此外，CNCs对耐药细菌（尤其是多重耐药细菌MDR）的抗菌效果优于抗生素，它们可以在几分钟内快速杀菌²⁸。特别是通过绿色工艺生产的CNCs，在生物医学应用中显示出潜力，因为它们毒性低且环保²⁹。

本研究提出了一种创新、环保且可扩展的方法，通过微波辅助处理合成和利用葡萄糖衍生的纤维素纳米晶体（CNCs），从而避免了通常与CNC生产相关的强烈化学物质和高能耗条件。因此，我们将研究重点放在将葡萄糖衍生的CNCs与ZIF-8结合上，同时保持所得纳米复合材料的有效性和生物相容性。一旦与ZIF-8基质混合，这些纳米复合材料表现出更好的稳定性和可控释放，这对长期治疗效果至关重要。本研究还探讨了最佳植入物表面处理的潜力，并对AuNP/ZIF-8和葡萄糖来源的CNC/ZIF-8纳米复合材料的抗菌活性进行了比较评估，结果显示它们具有抑制细菌、防止生物膜形成和对抗变形链球菌粘附的作用。这些抗菌剂的优势在于它们仅影响植入物附近的表面，而不影响其他组织，使效果局部化²⁹，（30）。抗菌纳米涂层还可以减少抗生素的使用，将其用于更重要的医疗应用³¹，（32）。牙科复合材料的广泛使用以及组织整合和抗菌活性在牙科中的重要性，使它们成为添加抗菌纳米粒子的理想候选材料。

材料与方法

玻璃设备使用新鲜王水溶液（HCl: HNO₃比例为3:1）进行清洗，然后用双蒸馏水彻底冲洗。

细菌菌株

本研究使用了来自印度昌迪加尔IMTECH的变形链球菌 UA159菌株（MTCC SM497）。该菌株在37°C下培养于脑心浸出液（BHI）培养基（HiMedia Laboratories，孟买，印度）中。长期储存条件为-80°C，培养基中添加了25%的甘油。

ZIF-8和CNCs/ZIF-8的制备

在本研究中，ZIF-8

纳米复合材料的表征与性质

如图1(a)和(b)所示，合成的Au/ZIF-8和CNCs/ZIF-8纳米材料的形态和结构分别得到展示。通过SEM-EDX对其进行了表征，以确定其形态和元素分布。根据SEM图像，Au/ZIF-8和CNCs/ZIF-8呈多面体形状且大小均匀。只有当系统中分别加入80uL和400uL的Au和CNCs时才能获得这些纳米材料。动态光散射（DLS）分析揭示了

结论

本研究首次将Au/ZIF-8和葡萄糖衍生的CNCs/ZIF-8作为功能性抗菌涂层应用于丙烯酸牙科表面。金属纳米粒子和葡萄糖衍生的纳米晶体在ZIF-8框架中的联合使用，在破坏变形链球菌生物膜的发展和表面粘附方面表现出出色的效果。通过包括MIC测定、生物膜粘附试验、EPS定量等多层次评估

CRediT作者贡献声明

Asad U Khan：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目实施、资金获取、概念构思。Tanuja Kumari：验证、方法学。Syed Hammad Ali：软件、方法学。Saba Naseem：撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法学、数据分析。Mehjabin Khan：软件、方法学。Sameera Mujahid：软件、方法学、数据分析