细菌是人类众多疾病的病原体,而抗菌技术开发对于人类健康和环境具有重要意义。如今,抗生素是人类解决细菌感染问题的有效手段。然而,抗生素虽然可以解决大部分细菌感染的问题,但随之而来的是可能更加严重的细菌耐药性危机。因此,开发新型、无耐药性抗菌剂已经迫在眉睫。金属纳米团簇(Metal nanoclusters,MNCs)是尺寸小于3 nm的超小金属纳米颗粒。MNCs相比传统纳米材料具有尺寸优势,可更容易地穿过细菌的外部屏障(细胞壁和细胞膜)进historical biodiversity data入细菌内部,从而实现高效抗菌。加之,MNCs表面丰富的活性位点有利于催化细菌内部的生化反应,进一步提高了其抗菌活性。目前,金/银纳米团簇(Au/Ag NCs)的精确合成及结构调控已经趋于成熟,并成功应用于广谱抗菌。但Au、Ag元素的丰度都较低,使其商业化应用受到限制。Cu元素(与Au、Ag同为IB族)在地壳中储量较高,相对Au、Ag具有更广阔的产业化前景。然而,由于铜离子难以还原,铜纳米团簇(Cu NCs)的合成及其广谱抗菌研究一直处于滞后状态。综上,本论文旨在解决耐药菌感染的问题,设计了半胱氨酸保护Cu NCs(Cys-Cu(Ⅰ)NCs)、AIE机制发光的Cu(Ⅰ)络合物聚集体(PCuA)和AIE机制发光的Cu NCs(AIE-Cu NCs)等铜基纳米材料,研究了其在广谱抗菌及耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)感染的伤口治疗的性能。具体工作如下:(1)首先,本文采用pH调节的配体还原法制备了低成本的Cys-Cu(Ⅰ)NCs,并成功应用于耐药菌感染的治疗。抗菌测试显示,Cys-Cu(Ⅰ)NCs具有优异的广谱抗菌活性,对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌以及耐药菌MRSA均具有高效的杀菌率。另外,由于Cys的配位作用,Cys-Cu(Ⅰ)NCs相对于Cu SO_4表现出了超低的细胞毒性,反映了其良好的生物相容性。在此基础上,本章进一步对其杀菌机制进行了研究,结果发现Cys-Cu(Ⅰ)NCs能够通过类酶催化产生活性氧物种(ROS)和释放铜离子的双重机制,破坏细菌的细胞壁和细胞膜,扰乱细菌内部的代谢活动,最终杀灭细菌。在上述工作的基础上,本文进一步制备了Cys-Cu(Ⅰ)NCs均匀分散的卡波姆透明凝胶(Cys-Cu(Ⅰ)NCs-gel),并探索了其作为伤口敷料对MRSA(代表性耐药菌)感染的小鼠伤口愈合的作用。结果显示,Cys-Cu(Ⅰ)NCs-gel可以有效根除MRSA,表现出促进耐药菌感染伤口愈合的优异特性,为纳米材料治疗耐药菌感染的研究提供了范例。(2)上述研究发现,Cu NCs虽然具有优异的广谱抗菌活性,但由于其释放接触型杀菌机制,该系列抗菌剂缺乏抗菌的长效性,这也是大部分铜基纳米抗菌剂面临的难题。聚集诱导发光(AIE)机制的Au NCs(AIE-Au NCs)通过光催化的方式持续产生杀灭细菌的ROS,解决了MNCs抗菌持久性不足的问题。然而,Au基体系的高昂成本限制了其商业化应用。因此,本课题理性设计了AIE机制发光的Cu(Ⅰ)络合物聚集体(PCuA),解决了铜基纳米材料面临的抗菌短效性的问题。具体讲,本研究使用对巯基苯甲酸(p-MBINCB28060分子式A)合成了原子精确的链状Cu(Ⅰ)络合物。结果发现,Cu(Ⅰ)-p-MBA络合物在碱性的水相环境处于分散的状态,其不能发射荧光。然而,通过降低溶液pH和引入乙醇溶剂,Cu(Ⅰ)-p-MBA络合物出现聚集。并且随着溶剂中乙醇体积分数的提高,Cu(Ⅰ)-p-MBA络合物的聚集度升高,进而出现了AIE现象。然而,Cu(Ⅰ)-p-MBA络合物的AIE特性依赖于乙醇溶剂的引入,这限制了其在光动力广谱抗菌的应用。为了摆脱对溶剂的依赖,本研究创新性地利用聚乙二醇(PEG)等高分子的空间限域作用,成功制备了水相环境中稳定且AIE机制发光的PCuA。制备的PCuA不仅表现出了光动力增强的广谱抗菌活性,也展现了良好的生物相容性。抗菌机理研究显示,AIE机制的PCuA具有良好的可见光吸收,微秒级的光生载流子寿命和合理的能级结构,使得其能够在可见光驱动下产生ROS,提高了抗JQ1浓度菌的活性和长效性。该工作为AIE机制发光聚集体的制备以及光动力广谱抗菌研究提供了范例。(3)上述研究表明,AIE机制发光的PCuA具有光动力增强的广谱抗菌活性,缓解了铜基纳米抗菌剂长效性不足的问题。然而,高分子限域策略虽然实现了Cu(Ⅰ)络合物聚集体(AIE机制发光)在水相环境中的稳定存在,但PCuA尺寸过大且难以修饰,这限制了其抗菌性能的进一步的提升。前文已述,MNCs基抗菌剂具有超小尺寸和丰富且可调的表面化学的本征优势。因此,将AIE发光机制引入Cu NCs,不仅能够避免高分子限域策略的缺陷,也可以降低MNCs的抗菌成本和提高MNCs的抗菌长效性。基于此,本章首先制备了原子精确的Cu(Ⅰ)-GSH络合物。通过降低pH和引入不良溶剂(DMF和乙醇)诱导Cu(Ⅰ)-GSH络合物聚集后,本研究发现了Cu(Ⅰ)-GSH络合物的AIE活性。本章以Cu(Ⅰ)-GSH络合物的AIE研究为基础,在高温(80°C)条件下成功制备了AIE机制发光的Cu NCs(AIE-Cu NCs),并实现了简单的pH驱动的Cu(0)核表面Cu(Ⅰ)-GSH络合物聚集度的调控,进而调制了AIE-Cu NCs的荧光颜色。得益于AIE发光机制,AIE-Cu NCs能够在可见光驱动下产生更多的ROS,表现出了光动力增强的广谱抗菌活性,另外,AIE-Cu NCs也具有良好的生物相容性。在此基础上,本研究进一步制备了含有AIE-Cu NCs的卡波姆透明凝胶(AIE-Cu NCs-gel)。动物实验表明,AIE-Cu NCs-gel表现出了光动力促进MRSA感染的伤口愈合的优异性能。该工作为抗菌剂的设计和MNCs的合成提供了研究范例。