通过ε-聚赖氨酸接枝技术制备的生物相容性丝纳米纤维，具有优异的抗菌和防腐性能

《Food Chemistry》：Biocompatible silk nanofibers with excellent antimicrobial and preservation properties by ε-polylysine grafting

丝绸纳米纤维接枝ε-聚赖氨酸制备非抗生素抗菌材料，通过表面改性与功能协同实现广谱抗菌性（抑制率>90%）及生物相容性，同时有效延长龙眼果保鲜期。

　　

作者：辛雷婷、胡志远、毛颖、吴冠、陈文星、卢王洋

中国浙江省科学技术大学生物基纤维材料国家重点实验室，杭州310018

摘要

细菌感染对人类健康构成了重大威胁，而抗菌素耐药性的出现进一步加剧了这一问题。在这项研究中，我们开发了一种新的策略，通过将ε-聚赖氨酸（EPL）接枝到丝纳米纤维（SNF）上来制备非抗生素抗菌材料。所得到的EPL接枝SNF（ESNF）保留了原有的纳米纤维结构，其直径分布均匀，小于100纳米。随着EPL含量的增加，ESNF的ζ电位值也随之升高，证实了EPL成功接枝到了SNF上。值得注意的是，EPL的加入赋予了SNF强大的抗菌活性，对革兰氏阳性金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus，简称S. aureus）、革兰氏阴性大肠杆菌（Escherichia coli，简称E. coli）以及多重耐药金黄色葡萄球菌（MRSA）的抑制率均超过了90%，同时保持了良好的生物相容性。此外，ESNF还能有效延长去皮龙眼的保质期，显著减缓其腐烂速度，减少重量损失，并延缓可滴定酸含量的增加。因此，ESNF是一种有前景的非抗生素抗菌材料，适用于食品保鲜。

引言

细菌和微生物感染长期以来一直对食品安全和人类健康构成严重挑战（Xing等人，2023年；Lochenie等人，2024年），导致发病率和死亡率上升，同时也带来了巨大的社会和经济负担（Duan等人，2022年）。自1929年青霉素被发现以来，抗生素一直是治疗细菌感染的基石（Li等人，2018年）。然而，这些药物的广泛滥用和误用加速了耐药菌和多重耐药菌（MDR）的出现（Qu等人，2024年）。尽管抗菌素耐药性（AMR）是通过自然进化产生的，但其快速扩散现在对全球人类和动物健康构成了严重威胁（Smith等人，2018年；Majumder等人，2020年）。例如，耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）是一种常见的MDR细菌，既存在于医院环境中也存在于社区环境中，且极其难以治疗（Xie等人，2021年；Zhang等人，2024年）。据世界卫生组织估计，每年约有70万人死于耐药菌感染。预计到2050年，这一数字将上升到1000万人，相关经济成本将达到100万亿美元（Willyard，2017年；Wang等人，2019年）。因此，迫切需要开发新的策略来抑制和根除致病菌。

为应对AMR带来的挑战，人们广泛探索了多种非抗生素策略来减缓耐药性的发生，如无机金属颗粒、膜活性阳离子聚合物、代谢抑制剂、光热剂等。然而，由于这些方法往往具有不必要的细胞毒性和不可生物降解性，其实际应用受到限制（Duan等人，2022年）。相比之下，抗菌肽（AMPs）是一种由多种生物产生的天然抗菌剂，是传统抗生素的有希望的替代品。与传统的抗生素不同，AMPs通过静电作用和与细菌膜的相互作用发挥作用，导致细菌膜孔洞形成和细菌裂解（Qu等人，2024年；Sun等人，2021年；Travkova等人，2017年）。AMPs通常带有极性和正电荷，其破坏细胞结构的机制使得细菌更难产生耐药性，使其成为替代或补充传统抗生素的极具吸引力的候选者（Li等人，2021年；Atefyekta等人，2021年；Wan等人，2022年）。

在AMPs中，ε-聚赖氨酸（EPL）是一种具有独特骨架结构的天然阳离子多肽，其中ε-氨基和α-羧酸官能团相互连接（Bo等人，2016年）。作为一种由L-赖氨酸衍生的均聚酰胺聚合物，EPL带有丰富的正电荷，能够与带负电的细菌膜相互作用，导致膜破坏、干扰细菌生理功能，最终导致细胞死亡（Chen等人，2020年；Yang等人，2022年）。由于其强大的抗菌活性，EPL被广泛用于食品保鲜，并已被美国食品药品监督管理局（FDA）认定为安全物质（Xu等人，2020年；Zou等人，2018年）。除了抗菌功能外，EPL还具有良好的生物安全性、水溶性和生物降解性，使其在药物递送（Patil & Kandasubramanian，2021年）和伤口愈合（Liu等人，2020年）等领域具有应用潜力。然而，EPL在极端pH条件下稳定性较差，容易受到蛋白酶分解的影响。此外，单独使用时，EPL会被体液迅速稀释，从而降低其在目标部位的浓度，限制了治疗效果（Atefyekta等人，2021年；Parandhaman等人，2021年；Ghilini等人，2018年；Luppi等人，2019年；Gong等人，2021年）。因此，对EPL进行化学修饰是必要的。

丝纳米纤维（SNF）是蚕丝的基本结构单元，通常通过自组装、电纺或剥离技术制备（Li等人，2021年；Chen等人，2024年；Ling等人，2018年；Sivakumar等人，2020年）。它们保留了天然丝的关键特性，包括高比表面积、优异的生物相容性和低免疫原性（Khan等人，2022年；Li等人，2025年）。此外，SNF表面的丰富氨基（–NH?）和羟基（–OH）官能团允许通过氢键或酰胺键进行简单的化学修饰（Zong等人，2025年）。在本研究中，使用绿色溶剂通过机械剥离法制备了SNF，然后将其与EPL接枝，得到了EPL接枝SNF（ESNF）（Li等人，2025年）。通过ζ电位分析仪、扫描电子显微镜（SEM）、固态¹³C核磁共振（NMR）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）、X射线衍射（XRD）和圆二色性（CD）对ESNF的化学结构和表面性质进行了全面表征。体外生物评估证实，ESNF对大肠杆菌（E. coli）、金黄色葡萄球菌（S. aureus）和MRSA具有强烈的抗菌效果，并且具有良好的生物相容性。此外，还使用去皮龙眼作为模型水果，评估了其在食品保鲜中的实际应用效果。

材料

原始丝材由浙江华丰丝绸实业有限公司（中国桐乡）提供。尿素、EPL（分子量Mv = 2–5 kDa）、N-(3-二甲基氨基丙基)-N′-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDC）、N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）和 morpholine 乙磺酸（MES）购自上海阿拉丁生化科技有限公司（中国上海）。氢氧化钠（NaOH）购自杭州高精精细化工有限公司（中国杭州）。大肠杆菌（ATCC8739）、金黄色葡萄球菌（ATCC6538）和MRSA

ESNF的设计标准

理想的抗菌材料必须同时具备优异的生物相容性、抗菌活性和无抗性的抗菌效果。EPL是一种天然阳离子多肽，已被美国FDA批准作为食品防腐剂，因其广谱抗菌活性而成为一种有前景的抗生素替代品（Xu等人，2020年；Zou等人，2018年）。然而，自由状态的EPL在实际应用中受到诸多限制，包括环境稳定性较差等

结论

在这项工作中，我们开发了一种有效的策略，通过将广谱抗菌剂EPL接枝到生物相容的SNF上来制备新型非抗生素抗菌材料。结果表明，EPL成功接枝到了SNF上。随着EPL含量的增加，ESNF的ζ电位值也随之升高，接近纯EPL的值。EPL与SNF的结合不仅赋予了材料强大的抗菌活性，还

作者贡献声明

辛雷婷：撰写——原始草稿、可视化、方法论、数据整理、概念化。胡志远：验证、数据整理。毛颖：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、资金获取。吴冠：监督、资源协调、资金获取。陈文星：监督、资源协调、资金获取。卢王洋：监督、资源协调、资金获取。

未引用的参考文献

He and a. L., 2024

Yuan, 2024

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了浙江省自然科学基金（LQ23E030014）、CARS-18专项基金（CARS-18-ZJ0502）以及浙江省重点研发计划（2023C03099）的支持。