多酚自组装抗菌生物材料的构建及其应用进展

主要死亡原因之一。抗生素一直是治疗细菌感染类疾病的主要策略，但抗生素的过量和不合理使用已导致多种细菌产生耐药性，严重威胁人类生命健康。植物多酚具有天然的抗菌特性，但酚羟基结构的不稳定性限制了其生物利用。为解决这个难题，研究者将多酚与其他物质自组装构建新型纳米生物材料，不仅提高了多酚稳定性和生物利用率，还使其协同发挥抗菌活性，在抗菌领域中具有巨大的应用潜力和优势。综述了近年来不同类型的多酚自组装生物纳米材料构建策略及抗菌性能，包括多酚-金属、多酚-水凝胶、多酚-壳聚糖、多酚-蛋白质和多酚-脂质体等材料，指出了新型多酚自组装生物材料在抗菌领域应用中面临的问题，并对其应用前景进行了展望。有害细菌的感染会引发炎症、败血症等多种疾病，情况严重时可直接导致患者死亡。据世界卫生组织报告，细菌感染是近十年全球范围内人口死亡的主要原因之一，给全世界带来了巨大的健康威胁和经济负担。自1928年青霉素被发现以来，抗生素类药物被广泛用于治疗细菌感染，极大降低了细菌感染性疾病的发病率和死亡率。然而，滥用、错用抗生素等现象引发了诸多问题，其中最突出的是部分细菌对抗生素类药物产生了耐药性，并且耐药菌的种类和数量在不断增加。抗生素耐药性（AMR）已经对世界公共卫生安全造成了重大威胁。报道显示，2019年全球约有495万人的死亡与耐药性细菌感染有关，其中127万人直接死于耐药性细菌感染。据统计，全球每年感染耐药性细菌近300万人，并至少导致70万人死亡，如果不采取任何针对性措施，预计到2050年将造成1000万人死亡及100万亿美元的经济损失。细菌的耐药性主要有天然耐药（Ⅰ型）和获得性耐药（Ⅱ型）两种类型，其中，天然耐药是由于细菌自身所携带的基因导致其对抗菌药物不敏感，如奇异变形杆菌对四环素天然耐药，葡萄球菌对美西林、粘菌素天然耐药。而获得性耐药是细菌在受抗菌药物的胁迫下，自身发生改变而产生耐药性，例如携带甲氧西林耐药基因（mecA）的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA），可以通过产生一种独特的青霉素结合蛋白PBP2a，该蛋白对β-内酰胺类药物的亲和力非常低，以此表现出耐药性。此外，还有耐万古霉素肠球菌（VRE）、产超广谱β-内酰胺酶（ESBLs）菌株和耐青霉素肺炎链球菌。研究表明，细菌产生相应的耐药机制主要有：（1）获得可以使药物失活的酶基因，从而产生灭活酶使药物失活；（2）改变细菌壁膜的结构，使表面无抗生素的结合位点；（3）通过外排泵将进入菌体的药物泵出体外；（4）修饰抗生素靶点，通过下调药物靶向基因的表达来降低与抗生素的亲和力；（5）形成生物膜，为细菌创造了天然防护屏障，不仅可以延缓、阻止抗生素的渗入，甚至可以使膜中的抗生素灭活。但现有抗生素的抑菌机制主要是通过进入细菌体内后抑制细菌壁膜的合成、干扰生物大分子如蛋白质的合成以及抑制基因的复制等。过度使用抗生素是导致细菌产生耐药性的主要原因，所以仅依赖传统抗生素和相关方法来控制细菌感染极有可能导致更多耐药菌产生，引起更大的安全隐患。由此可见，传统抗生素对耐药性细菌的治疗存在一定的局限性。因此，除传统小分子抗生素外，亟需开发高效、不易引发耐药性的新型抗菌材料。近年来，纳米技术在抗菌应用方面表现出巨大的潜力，通过纳米技术制备的纳米材料在抑菌方面具有显著优势：（1）纳米材料的物理性质如尺寸可以精准控制；（2）纳米材料可作为抗生素载体，提高药物稳定性、靶向性释放和促进药物进入细菌体内；（3）具有非氧化杀菌、释放金属离子和产生活性氧等多种抑菌机制，可减缓耐药性的发展进程；（4）纳米材料可通过修饰和功能化，发挥多种生物功能；

（5）抑制和破坏难治疗的细菌生物膜。与传统抗菌药相比，具有独特抗菌机制的纳米材料更不易引起细菌耐药性。越来越多的抗菌研究选用碳、金属、金属氧化物、脂质体、聚合物以及植物提取物等制备新型抗菌纳米材料。这些新型抗菌生物材料虽然具有优异的抗菌性能，但也存在不可忽视的弊端，如合成过程复杂、合成条件苛刻、使用对人体和环境有毒有害的试剂，以及在体内的生物安全性等。植物提取物如多酚类物质作为抗菌材料，与其他物质相比，具有绿色、安全及高效等优势，因此，利用多酚类物质制备抗菌材料是目前的研究重点之一。多酚作为一种次级代谢产物，是植物界中分布最广泛的物质之一，目前已知有约8000种酚类物质。多酚通常具有芳香环，且芳香环上有一个或多个羟基，根据其化学结构，大致可以分为酚酸、黄酮、单宁和芪等几类（图1）。其中，酚酸和黄酮类化合物占天然多酚类物质总数的90%以上，包括一些常见的天然多酚，如没食子酸（GA）、表儿茶素（EC）、表没食子儿茶素（EGC）、表儿茶素没食子酸酯（ECG）和表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）。多项体外和临床研究表明，多酚类物质具有抑菌、抗氧化、抗炎、抗肿瘤、保护神经和调节血糖血脂等特性。多酚良好的生物安全性和天然的抗菌活性使其在食品和生物医学等领域得到广泛研究，如多酚单体EGCG对多种致病菌（铜绿假单胞菌、大肠杆菌、枯草杆菌和金黄色葡萄球菌等）的抑制作用已经得到证实和应用，但多酚单体的稳定性较差，易受到温度、湿度和光照等外界环境因素影响，使其化学结构和物理性质发生变化，最终导致其生物活性减弱。因此，将多酚与金属、水凝胶、壳聚糖、蛋白质和脂质体等物质构建成纳米颗粒有利于提高其稳定性和生物利用度，并通过结合光热治疗和化学治疗等多级疗效，协同发挥显著的抗菌和抗氧化能力。本文综述了近年来多酚纳米材料在抗菌领域的应用研究，通过纳米技术有望提高多酚的生物利用率和突破细菌耐药性困境（图2）。1

多酚-金属纳米材料的制备及应用Au、Ag、Cu、Fe和Zn等金属被以各种形态用作抑菌剂长达几个世纪。Au和Ag等贵金属不仅具有广谱的抗菌活性，还可以发挥光热协同作用；Cu、Fe、Zn和Ca等金属元素既是人体所需的矿质元素，对人体有特殊的生理作用，也是许多抑菌剂的重要组成成分。金属-多酚网络（MPN）是近年来新兴的一种有机-无机杂化网络系统，通过多酚类物质的酚羟基和金属离子配合形成螯合物。金属-多酚网络通常兼并了多酚和金属的双重优势，不仅提高纳米材料的生物安全性还可以增强金属纳米颗粒的抗菌作用。利用二氧化钛纳米刺（TNS）、单宁酸-铁（MPNs）和抗菌肽（AMPs）构建了一个具有良好细胞相容性的多面纳米涂层（TNS-MPN-AMP）。通过TNS实现物理刺穿破坏细菌结构，并在近红外光和抗菌肽的作用下，该纳米涂层可实现物理-光热-化疗三层面协同抗菌治疗，体外和体内的抗菌率均达到90%以上（图3A）。利用EGCG和茶多酚（TP）分别制备出EGCG-Zn和TP-Zn，并发现EGCG-Zn（80µg·mL-1

）和TP-Zn（125µg·mL-1）的最低抑菌浓度明显低于EGCG（320µg·mL-1

）和TP（1000µg·mL-1），具有更高的抑菌活性，证明多酚和金属可以发挥协同抗菌效果。多酚-金属不仅对浮游细菌具有杀伤作用，对细菌生物膜同样具有抑制作用。将单宁酸（TA）、Au、Cu和聚乙二醇（PEG）通过简单的沉积方法制备出Au-TA/Cu-PEG杂化膜（图3B），该杂化膜通过近红外照射可达到长期抑制细菌生物膜形成的效果，在15d内均表现出良好的抗菌膜性能。基于TA对群体感应（QS）的抑制活性，Liu等成功制备了银-单宁酸纳米材料，该纳米材料可通过抑制QS信号产生来调控大肠杆菌生物膜的形成过程，对生物膜的抑制率达到92.9%。此外，利用EGCG、TA、原花青素（OPC）分别与金纳米棒（GNRs）、铁离子制备了纳米材料GNRs@MPNs（GNRs@Fe-EGCG3、GNRs@Fe-TA3和GNRs@Fe-OPC3），并评价了各自的抑菌活性，结果发现在近红外光照条件下，与未封装的GNRs相比，经过不同多酚单体封装制备而成的纳米材料具有更显著的抑菌活性，抑菌率从30.1%提升至85.4%（GNRs@Fe-EGCG3）、88.6%（GNRs@Fe-TA3）和98.6%（GNRs@Fe-OPC3），且GNRs@MPNs的光热效应可实现局部杀伤细菌以促进小鼠皮肤伤口的愈合。多酚-金属体系不仅可以表现出良好的光热效应，还可制备成响应型纳米材料。研究表明，将单宁酸和银离子沉积至介孔有机硅纳米颗粒上，成功制备出可降解且谷胱甘肽（GSH）响应型的Ag-MONs。在GSH存在下，Ag-MONs被降解并释放出银离子，发挥优异的抗菌效果。开发了一种普适性的茶多酚原位一步自组装方法，实现了在水相常温常压条件下茶多酚稳态纳米生物材料（am-MPNNPs）的快速绿色合成，利用不同茶多酚单体（EGCG、EC、ECG和EGC），与美国食品药品监督管理局（FDA）批准的戒酒硫代谢物二乙基二硫代氨基甲酸酯（Diethyldithiocarbamate，DEDTC）及不同金属（Cu、Au、Ag、Pt和Mg等）自组装成纳米颗粒，并发现茶多酚自组装新材料具有显著的抗菌效应和抗生物膜活性。除破坏细菌壁膜结构导致内含物泄露、活性氧爆发、DNA结构破坏等抑菌机制，研究进一步发现多酚纳米材料的特征抗菌机制——产生醌蛋白（图3C）。2

多酚-水凝胶纳米材料的制备及应用水凝胶是通过亲水大分子链在水微环境中交联而形成的三维聚合物网络。由于水凝胶的富水特性，被广泛的应用于生物医学、软电子、传感器和催化支架。利用氧化透明质酸和姜黄素-Fe（Ⅲ）无限配位聚合物设计了一种高度集成且结构简单的纳米复合水凝胶，用以针对止血、抗炎、增殖和重塑等复杂愈合阶段的方式程序化地促进烧伤创面愈合。研究结果表明，这种纳米复合水凝胶实现了全层烧伤创面的闭合期从21d缩短到9d，加速了皮肤结构的重建。较差的机械性能严重限制了水凝胶在体内的应用，特别是临床上对水凝胶进行的缝合手术（图4A）。利用多酚作为非共价交联剂，与聚乙二醇（PEG）及溶菌酶（LZM）通过疏水相互作用形成水凝胶，所得的PEG-LZM-多酚水凝胶与原始的PEG-LZM相比具有更强的韧性和高弹性。最后，PEG-LZM-多酚水凝胶被证明可以通过缝合成功修补兔心肌缺损，并改善伤口愈合和恢复心脏功能（图4B）。将四氯金酸（HAuCl4

）与氢硼化钠（NaBH4

）放置在冷水浴中快速搅拌，并将产物经过离心洗涤与EGCG水溶液在室温下搅拌反应10h，冷冻干燥得到E-Au，最后将E-Au加入至水凝胶中制备成E-Au@H，对E-Au@H进行表征和抑菌测试，结果显示E-Au在水凝胶中分散均匀，粒径分布在9nm左右，表现出良好的抑菌活性且有助于血管生成。在近红外光照条件下，实现E-Au@H对EGCG的可控释放，增强抗菌作用，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别为92%和94%，对牙菌斑生物膜的抑制率达到87%，可促进牙槽骨再生，为治疗菌斑生物膜引起的牙周炎等口腔疾病提供了新策略（图4C）。基于水凝胶良好的生物相容性和机械性能，Deng等利用琼脂糖（AG）、单宁（TA）和FeCl3制备了水凝胶纳米材料（ATF），体外和体内抑菌试验均表明ATF具有良好的光热效应和生物相容性。ATF在近红外（NIR）照射下可减少99%的菌落数量，并且促进小鼠皮肤伤口的愈合，在治疗第5天伤口面积仅为18.2%，而对照组和NIR组的伤口面积没有明显减小。水凝胶常用作伤口敷料，在抗菌止血和促进组织生成中发挥重要作用，但部分水凝胶的生物活性受pH动态变化的影响。为突破水凝胶在抗菌敷料应用中pH范围的限制，Jin等将百里香酚（THY）和低聚单宁酸（OTA）装载至海藻酸钠-聚赖氨酸水凝胶膜（ASP）上，成功制备了TO-ASP水凝胶抑菌材料，该水凝胶在pH为4~9均表现出良好的抑菌活性，对大肠杆菌（EC）和金黄色葡萄球菌（SA）的抑制率均达到99.9%，并对两种菌的生物膜均有破坏效果，试验结果显示，EC和SA的生物膜水平在经过TO-ASP处理后分别下降84.97%和91.01%。此外，智能响应型水凝胶也得到了广泛研究。由原儿茶醛（PA）、铁和氨基糖苷类作为构建块，快速合成的智能水凝胶不仅具有优良的触变性和自愈合性能，而且对不同刺激（温度、近红外光、pH、电和氧化还原）均有响应，例如在酸性条件下，水凝胶不断降解并持续释放出铁离子和氨基糖苷类抗生素（如妥布霉素、硫酸新霉素、庆大霉素硫酸盐、硫酸帕罗霉素、硫酸核糖霉素和硫酸奈替米星），表现出良好的抗菌活性。进一步将智能水凝胶应用在皮肤伤口上，并证明了其对伤口愈合具有积极作用。试验中利用PA、Fe3+和季铵化壳聚糖（QCS）制备了双动态键交联粘性水凝胶，该水凝胶不仅具有良好的机械性能和粘附性，并且在酸性溶液下可实现按需去除，在小鼠皮肤感染模型中，智能水凝胶可显著抑制伤口处细菌的生长，刺激新生皮肤组织中血管和毛囊的生成，以促进伤口的愈合。3

多酚-壳聚糖纳米材料的制备及应用壳聚糖（CS）是一种通过去除天然多糖甲壳素中乙酰基而获得的生物衍生材料，具有可生物降解、低过敏性和生物相容性等特性。研究表明，壳聚糖的功能基团使其易与其他生物活性分子结合，可以提高合成产物的稳定性、溶解度、缓释性和生物利用度等。为实现长期缓慢释放多酚，提高材料抑菌活性，Li等通过离子凝胶法合成了一种同时装载儿茶素和槲皮素的新型壳聚糖基纳米颗粒（G-C-QNPs），结果表明，儿茶素和槲皮素的装载率达到76.35%和52.23%，可实现缓慢释放。G-C-QNPs对金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌和大肠杆菌的抑菌效果均优于其合成底物单体，对于G-C-QNPs良好的抑菌活性，一方面是由于其缓释特性，在一定时间内通过持续释放儿茶素和槲皮素来抑制细菌的生长和繁殖；另一方面是由于G-C-QNPs表面带正电荷，促进其与表面带负电荷的细菌相结合。通过绿色合成法将壳聚糖、海藻多酚和银制备成生物纳米银（AgNPs）材料，该纳米材料在存放180d内的紫外吸收和溶液颜色均没有明显变化，且AgNPs持续释放的银颗粒可有效的靶向细菌表面，破坏细菌结构和功能，最终导致细菌死亡。多酚的存在和释放不仅可以提高多酚-壳聚糖体系的抗菌活性，在清除自由基和抗氧化方面同样有所提高。利用交联壳聚糖在羟基磷灰石表面形成稳定的涂层，并在涂层上负载多酚类物质，结果表明，相比于正常生理环境下，该涂层在模拟炎症环境中可以更快地释放多酚，而结合在表面的多酚可以维持较长时间的抗氧化能力。多酚-壳聚糖优异的抗菌和抗氧化性能使得其在食品保鲜膜上得到广泛的研究和应用，Chen等制备了含茶多酚-壳聚糖纳米颗粒（CNTP）的绿色复合淀粉膜，其透光率和抗拉伸强度分别达到了83.9%和33.4MPa，不仅机械性能有所提升，复合膜同样具有缓释茶多酚、抗菌、抗氧化等性能（图5C），试验结果表明，复合膜在6h后的茶多酚释放率仅为45.9%，对1,1-二苯基-2-三硝基苯肼（DPPH）的清除率为42%。另一项研究表明，薄膜中茶多酚的含量不同，会导致薄膜的机械性能和抑菌活性等发生变化，在一系列含不同浓度没食子酸（GA）的壳聚糖薄膜中，当没食子酸和壳聚糖的比例（W/W）为1.5∶100时，对大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌、枯草芽孢杆菌和李斯特菌的抑菌活性最高；当二者比例降低至0.5∶100时，薄膜的拉伸强度和阻隔率显著提高，而水汽透过率和透氧率降低。此外，将多酚-壳聚糖纳米颗粒负载到水凝胶上作为光热疗法的刺激反应剂用作伤口敷料，这种新型生物可再生冷冻凝胶表现出优异的吸湿止血性能、光热抗菌活性，并加速皮肤再生，能够在临床上作为一种有前景的伤口敷料材料（图5A）。将茶多酚掺入到壳聚糖复合薄膜中，以增强其机械性能、抗菌和抗氧化性能。这种复合薄膜可以延长鱼肉的新鲜度，显示出未来作为活性食品包装的潜力（图5B）。茶多酚的低吸收率阻碍了其在体内的生物活性，主要原因是它们在胃肠道中的稳定性差，已有研究报道通过应用壳聚糖纳米颗粒可增强茶多酚的吸收和生物利用度（图5C）。4

多酚-蛋白质纳米材料的制备及应用蛋白质具有优异的生物相容性、非免疫原性和耐药性等优势，常用于纳米载体的制备，在食品加工、保鲜和药物载体等方面得到广泛研究。研究表明，多酚可以通过共价键和非共价键与蛋白质相互作用，促进蛋白质之间的交联，从而改善材料的抗菌、抗氧化以及机械阻隔等性能。Ashwar等利用酪蛋白（C）和乳清蛋白（W）分别和沙棘多酚提取物制备成蛋白-多酚复合物（CP、WP），并研究了这两种蛋白对沙棘多酚稳定性和生物利用度的影响，结果表明，沙棘多酚与酪蛋白和乳清蛋白的主要结合力为疏水作用，且在合成过程中增加超声处理可以促进多酚进入蛋白内部，结合更加紧密，表现出更好的抗氧化性和防降解能力。沙棘多酚在模拟肠道环境中降解60%，而沙棘多酚在酪蛋白和乳清蛋白的保护下，可以保留65%，随着酪蛋白和乳清蛋白的酶水解，多酚被缓慢释放，具有更高的生物利用度。受到蛋白载体的保护，多酚类物质可以在消化分解前递送至肠道，维持较高的活性浓度。多酚-蛋白体系在食品领域也表现出巨大潜能。不仅可以提高隔水性，多酚-蛋白薄膜通常表现出更优异的抗氧化和抗菌性能

。利用百里香酚、玉米醇溶蛋白和双醛卡拉胶制备了明胶膜，该膜的拉伸强度（约72MPa）比纯明胶膜高20倍，同时百里香酚（0.25mg·mL-1和0.50mg·mL-1）表现出一定的抗氧化和抗菌活性，当百里香酚的质量浓度为0.50mg·mL-1时，抗氧化活性提高46.5%，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌圈直径分别为10.3mm和6.2mm。另外有研究表明，多酚-蛋白抗菌膜的抗菌活性与多酚含量和释放量密切相关。制备了含百里香酚的明胶膜，发现不含百里香酚的明胶对枯草芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和铜绿假单胞菌均没有抑菌活性，而含有百里香酚的明胶对革兰氏阳性菌的抑制活性高于阴性菌，且随着百里香酚浓度升高，抑菌效果增强，当明胶膜中百里香酚的含量达到8%（W/W）时，对枯草芽孢杆菌、大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制率达到100%。不同植物来源的单宁酸与蛋白质制备成明胶膜同样具有抗菌活性，利用白皮葡萄、红皮葡萄和橡树皮中的单宁酸分别制备活性膜（GWb，GRb和GOb），并评价了不同活性膜对大肠杆菌和李斯特菌的抑菌活性，结果显示3种活性膜的最低抑菌浓度（MIC）在6~25mg·mL-1

，其中GWb的抑菌活性最佳。通过蛋白质和多酚在各种基材上的界面组装，建立了一种简单而通用的功能材料组装策略（图6A）。多酚-蛋白质胶囊用于阐明不同蛋白质和多酚之间的主要相互作用。组装的蛋白质保留了它们的结构和功能，从而使其能够应用各种领域。展示了一种新型的防腐剂涂层，该涂层由单宁酸和明胶之间的分子间氢键自组装驱动。该涂层具有理想的抗菌、抗氧化效果以及良好的粘附能力，表现出理想的防腐性能（图6B）。多酚-

脂质体纳米材料的制备及应用多酚类物质在脂质双层中的定位及其对卵磷脂膜的影响可归因于多酚类物质的结构特征。这些都是设计脂质体递送系统时应考虑的重要因素（图6C）。由茶多酚和脂质体形成的复合涂层具有缓释的性能，使其能够成为长效的保鲜材料（图6D）。脂质体是一种具有两亲性的自组装球形双层传递系统，由弯曲的脂质双层组成。由于其良好的生物相容性、可降解和可控释放等优势被广泛的用于医学、食品科学以及化妆品等领域，被认为是十分强大的药物递送系统。为构建稳态的多酚纳米递送系统，将阿霉素、槲皮素和EGCG包封在脂质体中，形成了稳定的纳米颗粒，其中槲皮素和EGCG的包封率分别达到96.8%和98.0%，并且包封在脂质体中的槲皮素和EGCG的生物利用度得到提高，可持续释放10d。将香芹酚（Car）包埋在β-环糊精（β-CD）中，形成β-环糊精-香芹酚包合物（β-CD-Car），并制备了β-环糊精-香芹酚脂质体（β-CD-Car-Lip）和ε-聚赖氨酸包被的β-CD-Car脂质体（ε-PL/β-CD-Car-Lip）。结果表明，ε-PL/β-CD-Car-Lip在25℃和4℃下均可以有效延缓香芹酚的释放，192h内累积释放分别为69%和60.4%，且抑菌效果最佳，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最低抑制浓度分别为0.025mg·mL-1和0.05mg·mL-1

，显著低于香芹酚的最低抑菌浓度（两种菌均为0.32mg·mL-1），证明ε-聚赖氨酸包被的β-CD-Car脂质体可以降低香芹酚的体外释放速率，并提高其抗菌活性。Sepahvand等证明了百里香酚及其纳米脂质载体对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌效果优于亚硝酸盐。此外，脂质体还可以和壳聚糖、水凝胶联用以提高多酚类物质的生物利用度。Ezzat等通过乙醇注射法制备了儿茶素-壳聚糖-脂质体复合材料（CHS），与未经脂质体包埋的相比具有更高的稳定性，显著提高了大鼠口服生物利用度，其中最高血药浓度提高1.53倍，血药浓度达峰时间延长1.99倍，药效可持续更长时间。Joraholmen等制备了白藜芦醇（RES）水凝胶脂质体并将其用于治疗沙眼衣原体感染，结果发现与游离的RES相比，脂质体和水凝胶的组合进一步延缓了RES的释放，增强RES的抗菌和抗炎症活性。在低质量浓度（1.5µg·mL-1和3