《Materials Today Communications》：Dual-Action Antimicrobial and Antioxidant Kojic Acid-Grafted Kefiran Biopolymer via Enhanced Iron Chelation
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为解决传统生物聚合物在抑制革兰氏阴性菌方面活性有限的问题，意大利卡塔尼亚大学的研究人员通过共价接枝，将曲酸（Kojic Acid）引入克非多糖（Kefiran）中，成功开发出新型KK功能化材料。该材料通过铁螯合与膜破坏的协同作用，显著提升了抗菌（尤其针对E. coli和P. aeruginosa）及抗氧化性能，并展现出优异的细胞相容性，为开发可持续的功能性包装与生物医学材料开辟了新途径。
在当今追求可持续发展的时代，化学合成的塑料和抗菌剂带来的环境污染与细菌耐药性问题日益严峻。医药与食品工业对既能保护产品，又能赋予其额外功能（如抗微生物、抗氧化）的绿色材料需求迫切。生物聚合物，特别是源自可再生资源的天然多糖，凭借其生物可降解性、生物相容性和无毒性，成为替代传统合成材料的理想候选者。克非多糖（Kefiran），这种从开菲尔乳发酵中提取的多糖，因其成膜性及固有的抗菌和抗氧化功能，在食品包装和生物医学领域展现出巨大潜力。然而，其抗菌活性，尤其对革兰氏阴性菌的抑制作用相对有限，这限制了其作为高性能防护材料的应用范围。一个关键的科学突破口在于理解并利用细菌生存必需的微量营养素——铁元素。几乎所有细菌病原体都需要铁来进行DNA合成、呼吸和生物膜形成。如果能设计一种材料，既能扰乱细菌细胞膜，又能“窃取”其赖以生存的铁离子，岂不是实现了双重打击？
针对这一科学挑战，来自意大利卡塔尼亚大学（University of Catania）的研究团队Erika Saccullo, Giulia Sambataro, Virginia Fuochi等人，在《Materials Today Communications》期刊上发表了一项创新性研究。他们巧妙地通过一种成本效益高且直接的方法，将具有强铁螯合能力的天然分子——曲酸（Kojic Acid），共价接枝到克非多糖骨架上，创造了一种新型的双功能材料KK（Kefiran-Kojic acid）。这项研究不仅展示了一种新颖的材料合成策略，更在抗菌机制上实现了“膜破坏”与“营养剥夺”的协同作战，为解决上述难题提供了极具前景的方案。
为验证这一构想并阐明其背后的科学机理，研究团队运用了多种关键的技术方法。首先，通过核磁共振氢谱（1H NMR）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）确认了曲酸成功共价接枝到克非多糖链上。利用扫描电子显微镜（SEM）和动态光散射（DLS）分析了材料的形态和聚集行为变化。通过热重分析（TGA）评估了材料对铁离子的螯合能力。抗菌活性通过测定对五种临床相关细菌（包括大肠杆菌E. coli、金黄色葡萄球菌S. aureus、肺炎克雷伯菌K. pneumoniae、铜绿假单胞菌P. aeruginosa和粪肠球菌E. faecalis）的最小抑菌浓度（MIC）进行评估。抗氧化活性则通过DPPH自由基清除实验进行量化。最后，采用MTT法（3-(4,5-dimethylthiazol-2-yl)-2,5-diphenyl tetrazolium bromide）在人类上皮Hep-2细胞系上评估了材料的细胞相容性。
研究结果
3.1. 合成与表征
研究首先成功合成了KK材料。表征数据证实了接枝的成功：FTIR光谱显示，与未改性的克非多糖相比，KK出现了对应于曲酸羰基（C=O）和新生乙烯基醚基团的新特征峰。更重要的是，功能化带来了显著的形态学变化。SEM图像显示，未改性的克非多糖呈现出典型的多孔互连网络结构，而KK衍生物则表现出更光滑、更致密的表面形态。DLS分析也证实KK在水溶液中形成了比克非多糖（平均尺寸564.7 nm）大得多的聚集体（平均尺寸1460 nm）。这表明接枝过程深刻影响了多糖链的分子间氢键和自组装性质，形成了更紧密的聚集结构。关键的铁螯合能力验证通过TGA完成。KK在铁离子溶液处理后，在900°C下的残留物比例（20.1%）显著高于未经功能化的克非多糖铁复合物（16.2%），直接证明了曲酸的引入极大地增强了材料的铁螯合能力。
3.2. 抗菌与抗氧化活性
抗菌活性测试取得了突破性成果。未改性的克非多糖仅对金黄色葡萄球菌（MIC = 250 μg/mL）和粪肠球菌（MIC = 500 μg/mL）表现出中等至弱的活性，而对大肠杆菌、肺炎克雷伯菌和铜绿假单胞菌无抑制作用（MIC >8000 μg/mL）。相比之下，KK材料展现出强大的广谱抗菌活性，尤其是对原先不敏感的革兰氏阴性菌：对大肠杆菌的MIC降至250 μg/mL，对肺炎克雷伯菌和铜绿假单胞菌的MIC为1000 μg/mL。最显著的提升体现在对粪肠球菌的活性上，MIC从500 μg/mL大幅降至62.5 μg/mL。这种增强归因于克非多糖破坏细胞膜与曲酸螯合铁离子的协同效应。研究团队还将KK的抗菌性能与文献中其他功能化生物聚合物进行了对比，结果显示KK在对多种革兰氏阳性和阴性菌的抑制方面具有更均衡和强大的活性，尤其是针对铜绿假单胞菌和肺炎克雷伯菌等挑战性病原体。
在抗氧化性能方面，KK也表现优异。通过DPPH自由基清除实验，KK（0.1 mg/mL）的自由基清除活性达到了98.2%，略高于未改性克非多糖的94.6%，表明功能化也同步提升了材料的抗氧化能力。
3.3. 细胞生物相容性测定
材料的生物安全性是应用的前提。细胞毒性实验（MTT法）结果显示，在1 mg/mL浓度下与人类上皮Hep-2细胞共培养24小时后，KK处理组与未处理的对照组在细胞形态和线粒体代谢活性（以570 nm波长下的吸光度衡量）上均无显著差异。这证明了KK材料在测试条件下具有良好的细胞相容性，为其在生物医学领域的应用奠定了安全基础。
结论与重要意义
本研究成功开发了一种通过曲酸共价接枝克非多糖（KK）来显著增强其功能特性的新策略。该研究得出以下核心结论：首先，合成方法简单高效，通过化学表征证实了共价接枝的成功，并引起材料从多孔网络向更致密聚集态的形态转变。其次，KK表现出远超原始克非多糖的铁螯合能力，这是其功能增强的物理化学基础。最重要的是，功能化赋予了材料卓越的双重生物活性：其抗菌谱，特别是对难对付的革兰氏阴性菌（如大肠杆菌、铜绿假单胞菌）的活性得到极大拓宽和增强，这源于膜破坏与铁剥夺的协同抗菌机制；同时，其抗氧化活性也得到了进一步提升。最后，KK材料在实验浓度下对哺乳动物细胞无毒性，显示出良好的生物相容性。
这项研究的科学意义和应用前景十分广阔。它不仅仅展示了一种新型生物聚合物材料的合成，更重要的是阐明并验证了一种通过引入铁螯合基元来“赋能”天然多糖的通用策略，为解决细菌耐药性提供了一个非传统的、基于营养竞争的抗菌新思路。所获得的KK材料集生物可降解性、广谱抗菌性、抗氧化性和生物相容性于一体，为开发下一代可持续的功能性材料铺平了道路。其潜在应用范围覆盖从延长食品保质期的活性包装材料，到需要抗菌抗氧化的伤口敷料、药物递送载体和组织工程支架等高级生物医学器件。这项研究为应对全球性的塑料污染和抗生素耐药性挑战，提供了一条基于天然产物的、绿色且高效的创新路径。
