迄今为止，不同种类的传染病爆发对社会和经济发展均造成了严重的危害。病原微生物感染和生物膜粘附因耐药性使其难以被普通抗生素治疗。许多先进的纳米材料，包括金属纳米粒子、MXenes、量子点和网状多孔材料（MOF、COF），在环境、生物医学和食品安全应用中表现出克服抗生素耐药性的巨大潜力。其中，石墨烯量子点作为良好的光敏剂，具有光致产生活性氧和光动力抗菌能力；而ZIF-8具有酸敏晶体结构，其可作为纳米药物载体且显示出酸敏感药物释放行为特性。

近日，浙江大学张辉教授团队在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“Metal–organic framework- and graphene quantum dot-incorporated nanofibers as dual stimuli-responsive platforms for day/night antibacterial bio-protection”。研究者通过静电纺丝技术，制备了掺入负载柚皮素的ZIF-8纳米载体颗粒NAR@ZIF-8和石墨烯量子点（GQDs）的聚己内酯/季铵化壳聚糖（PCL/QCS）复合纳米纤维PQZG。所得复合纳米纤维膜展示出良好的pH/光双重刺激响应特性。

研究结果显示，柚皮素/ZIF-8纳米载体和石墨烯量子点的掺入增强了纤维的热力学性能和抗菌性能。复合纤维因酸敏ZIF-8晶体结构的存在而表现出柚皮素pH响应的释放行为。石墨烯量子点的存在显著提高了复合纤维光诱导产生单线态氧的能力。制备的复合纳米纤维具有双重刺激响应抗菌策略，其在生物防护服、食品包装材料或伤口敷料中有潜在的应用。

图1：复合纳米纤维的双重响应机制示意图。

SEM观察可知，PCL/QCS连续纤维形态良好且尺寸分布较为均匀且平均直径约64.0 nm（图2a），掺入NAR@ZIF-8和GQDs后平均直径有所增大（图2b-d）。尽管PQZG复合纤维间出现了少量粘连，但总体仍呈现连续不间断纤维形貌，表明了两种纳米结构共同掺杂与PQ聚合物混纺的可行性。

图2：制备PQZG复合纳米纤维的微观形貌。

如图3（a）所示，柚皮素的溶出释放规律总体呈现为前期释放速率较快、后期速率减缓并趋于释放平衡。PQZG复合纤维在不同pH环境下的柚皮素累计释放率差异显著，且酸性条件下释放率最高，而NAR/PQ纤维在不同pH下的释放率却无显著差异。结果表明该复合纳米纤维具有柚皮素pH响应控释特性。通过对纳米载体颗粒NAR@ZIF-8的宏观光学照片和微观形貌结构的观察，结果证实了ZIF-8具有酸敏型可裂解晶体结构。

图3：PQZG复合纳米纤维膜在不同pH条件下的释放行为。

活性氧可有效地破坏微生物细胞膜，进而导致内源性细胞损伤和凋亡，因此光动力抗菌活性主要与光敏材料在光催化条件下产生活性氧的能力有关。如图4所示，暴露于PQZG复合纳米纤维膜的DPBF溶液紫外吸收强度均显示出不同程度的降低。当复合纤维膜中掺入的GQDs比例增加时，光催化效率越高，说明复合纳米纤维膜中石墨烯量子点的含量与光致产生活性氧能力成正比。因此，制备的复合纤维膜可作为光敏材料并具有良好的光致活性氧产生能力和光动力抗菌活性。

图4：PQZG复合纳米纤维膜的光动力活性。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145365

人物简介：

通讯作者：张辉，教授，博士生导师，浙江大学工业技术转化研究院副院长，食品科学与营养系副主任，主要从事功能性油脂、蛋白质及食品包装等方面的教学科研工作。目前担任Journal of the Science of Food and Agriculture期刊副主编（Associate Editor）、Food Packaging and Shelf Life期刊编委（Editorial Board）、International Journal of Biological Macromolecules特刊编辑（Special Issue Editor）、美国油脂化学家协会（AOCS）中国分会理事（Advisory Council）、浙江省食品添加剂和配料行业协会专家委员会委员等学术兼职。承担了国家自然科学基金、国家重点研发计划、浙江省自然科学基金杰青项目、浙江省重点研发计划等国家级省部级项目，发表论文120余篇，授权发明专利10余项，其中2项实现成果转化。作为第一完成人，获浙江省科技进步二等奖一项。

第一作者：邹昱成，浙江大学生物系统工程与食品科学学院2019级博士生，研究方向为功能化复合纳米纤维膜在食品活性包装和智能包装中的应用。近五年在Chemical Engineering Journal、ACS Applied Materials & Interfaces、Carbohydrate Polymers、Food Chemistry等期刊发表SCI论文8篇。