近年来，抗生素耐药性是一个棘手的问题。长期全身性抗生素治疗往往会导致多种意想不到的副作用，这增加了医疗系统的负担。随着纳米材料技术的发展，防止生物膜形成的抗菌涂层具有良好的发展前景。研究表明，一些天然提取物被发现具有有效的杀菌作用，包括水杨酸、天然漆树酸、水杨酸衍生物、和漆树酸类似物。它们对各种微生物的抗菌活性主要归因于两亲结构，尤其是-OH 和-COOH基团，这与碳基纳米材料表面常见的含氧官能团相吻合，例如，羟基（C-O)、环氧化物 (C-O-C)、羰基 (C=O) 和羧基 (COOH)。
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鉴于此，上海交通大学张亚非/李新红/张耀中合作团队，采用溶胶-凝胶法制备端氧纳米金刚石涂层（NDCs），以水解和聚合的硅溶胶作为网络框架，使NDs暴露在涂层表面，导致NDs和细菌之间的接触面积增大，对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均表现出优异的抗菌性能。相关工作以“Antibacterial Property of Oxygen-Terminated Carbon Bonds”为题，发表在《Advanced Functional Materials》。通过溶胶-凝胶法合成氧封端的NDCs。根据涂层中NDs的含量比例制备4个NDCs试件，分别为Control、NDC-1、NDC-2和NDC-3。NDs在基板表面上的均匀分布允许 NDs 和细菌之间的密切和迅速的接触。对照和NDCs的涂层厚度均为0.8 ± 0.2 µm，而 NDCs的粗糙度相对较高。EDS映射和X射线光电子能谱仪（XPS）结果证实了 C、Si 和O在NDCs表面上的存在及其均匀分布。图2：涂层的表征。(a, b) NDC的AFM图像。(c) NDC的FESEM图像。(d) Si、(e) O 和 (f) C元素分布。 (g) FTIR光谱。 (h) 涂层的XRD图谱。NDCs的高分辨率XPS光谱，包括 (i) C 1s 和 (j) O 1s。(k) 涂层的Zeta电位。通过荧光显微成像评估NDCs的抗菌活性。绿色和红色荧光分别代表活细菌和死细菌（细胞膜受损）。可以观察到，在孵育12小时后，与 NDC-3相比，对照组中存活的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌数量是NDC-3的两倍以上，这表明氧封端的ND比原始的 ND更具杀菌性。在37 °C下生长24小时后，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在琼脂板上的状况表明，存活细菌的数量随着NDs的浓度而变化，其中NDC-3的存活细菌比其他标本最少。可以看出，两种细菌的CFU变化趋势大致相同，展示了NDCs的全方位抗菌特性。正如预期的那样，NDC-3的CFU数最低，其抗菌率已达到80 ± 2%。值得注意的是，NDC-3的抗菌率低于NDC-1的三倍，这表明存在影响NDCs抗菌性能的其他因素。图3：NDC的抗菌性能。孵育12小时后，(a) 对照和 (b) NDC-3的活/死大肠杆菌的荧光图像。在孵育12小时后，(c) 对照和 (d) NDC-3的活/死金黄色葡萄球菌的荧光图像。(e) 金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的琼脂平板结果。37 °C下在琼脂板上生长24小时后测量 (f) 大肠杆菌和 (g) 金黄色葡萄球菌的CFU统计。金黄色葡萄球菌可以表达多种毒力因子，它们与细菌表面的肽聚糖共价连接。这些表面蛋白在维持细菌的结构和致病功能方面发挥着不可替代的作用。本实验推测NDCs与金黄色葡萄球菌的表面接触会影响细菌表面的蛋白合成。同时，金黄色葡萄球菌的细胞壁和细胞膜被破坏，以及金黄色葡萄球菌超微结构的改变。在合并的样本中共鉴定出684种蛋白质。实验结果表明，694种蛋白质中的84种表达水平显著不同（p≤ 0.05），形成包含68种上调蛋白和16种下调蛋白的两个簇。差异表达蛋白的层次聚类热图显示，42.5% 位于细胞外空间，12.5% 位于细胞壁，和13.75% 位于膜中。这些差异蛋白可以分为几个生物学过程，包括发病机制、细胞粘附、脂质分解代谢过程、细胞壁组织等。鉴于对金黄色葡萄球菌的观察，通过蛋白质组学分析鉴定了许多与细胞壁相关的差异蛋白。这些蛋白质主要在细胞组织和生物发生、代谢过程和细胞分裂中发挥作用。结果显示，蛋白标志物的表达变化证实了NDCs对金黄色葡萄球菌超微结构变化和抗菌行为的表面相互作用方式的影响。图4：金黄色葡萄球菌蛋白的异常表达。（a）质谱实验的工作流程。（b）蛋白质的火山图。（c）差异蛋白的层次聚类分析热图。（d）差异蛋白细胞定位。（e）差异蛋白功能分类。实验结果表明，当细菌落在NDCs表面时，其细胞壁上的一些孔不可避免地被C-O或C=O键填充。这些键可以部分（或完全）堵塞孔洞，干扰细菌的正常代谢。此外，由于C-O和C=O键的O端具有高度负极性，嵌入的键和细菌细胞壁的负电荷可以相互排斥，导致孔洞进一步扩大，破坏细胞壁。受损的细胞壁加剧了异常代谢，进而导致细菌死亡。综上所述，作者研究了氧封端碳键的抗菌性能，并证明了氧封端NDCs对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的优异抗菌性能。NDCs的抗菌行为被证明主要是通过表面相互作用而不是细菌的内部吞噬作用发生的。作者团队提出了一种潜在的抗菌机制，通过氧末端碳键的物理接触和电荷排斥等行为物理破坏细菌细胞壁，导致细菌细胞壁相关蛋白的异常表达。这项工作为研究抗菌特性，以解开氧化碳表面和细菌之间的相互作用提供了思路。
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