《Scientific Reports》：Green synthesis of 2D azine-linked covalent organic framework with antibacterial activity correlated by molecular docking study and computational calculations
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本研究針對抗生素耐藥性加劇的全球健康挑戰，開發了一種新型二維嗪連接共價有機框架COFTHB。研究人員通過綠色室溫合成法成功制備了具有介孔結構(孔徑3.68 nm)的COFTHB材料，該材料表現出優異的熱穩定性(達629°C)和化學穩定性。實驗表明COFTHB對革蘭氏陰性菌(銅綠假單胞菌、大腸桿菌)和革蘭氏陽性菌(糞腸球菌、金黃色葡萄球菌)均具有顯著抗菌活性，其最低抑菌濃度(MIC)和最低殺菌濃度(MBC)優于標準抗生素妥布霉素。通過分子對接和DFT計算揭示了其抗菌機制與嗪鍵的靜電相互作用密切相關。該研究為水處理領域的抗菌材料開發提供了新思路。
隨著全球水資源污染問題日益嚴重，微生物和細菌污染已成為威脅數百萬人生命的重大環境挑戰。傳統抗生素雖然在一定程度上能夠抑制細菌感染，但抗生素耐藥性的出現使得這一局面變得更加復雜。根據世界衛生組織的報告，抗生素耐藥性已成為全球公共衛生領域的重大威脅。人類和動物對抗菌藥物的過度使用，以及不合理的抗菌治療方案，進一步加劇了耐藥性問題。在這一背景下，開發新型抗菌劑迫在眉睫。
近年來，共價有機框架(COF)作為一種新型多孔晶體聚合物材料，因其優異的化學穩定性、高比表面積和可調控的孔結構而受到廣泛關注。然而，盡管COF在氣體儲存、傳感、吸附等領域展現出巨大潛力，其在抗菌藥物遞送方面的應用卻相對有限。特別是在水處理領域，如何開發高效、穩定且環境友好的抗菌材料仍然是一個重要研究方向。
在這項發表于《Scientific Reports》的研究中，研究人員成功開發了一種新型的二維嗪連接共價有機框架COFTHB，并系統研究了其抗菌性能及相關機制。
研究人員主要采用了以下幾種關鍵技術方法：通過席夫堿縮合反應在室溫綠色條件下合成COFTHB材料；利用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、粉末X射線衍射(PXRD)、熱重分析(TGA)等技術進行材料表征；采用微量肉湯稀釋法測定最小抑菌濃度(MIC)和最小殺菌濃度(MBC)；運用分子對接技術研究材料與細菌蛋白的相互作用；通過密度泛函理論(DFT)計算分析材料的電子性質和反應活性。
3.1. 化學合成
COFTHB通過 terephthaldehyde 和 1,4-hydrazonmethyl benzene 在二氧六環中的縮合反應合成，形成強烈的嗪鍵連接單元。該合成方法在室溫下進行，符合綠色化學原則。
3.2. FT-IR光譜分析
FT-IR光譜證實了COFTHB中嗪鍵的成功形成。C=N伸縮振動帶出現在~1694 cm-1，明顯高于典型亞胺的振動頻率(1600-1650 cm-1)，這種藍移歸因于嗪鍵的強吸電子環境和框架內的擴展共軛效應。
3.3. 核磁共振分析
1H NMR譜顯示亞胺基團(-C=N)信號位于10.11 ppm，13C NMR譜中嗪鍵(C=N)信號出現在158.73 ppm，證實了COFTHB的成功合成。
3.4. 紫外-可見光譜
COFTHB的紫外-可見光譜在317和404 nm處顯示吸收峰，分別對應于π-π和n-π躍遷，表明形成了較大的共軛體系。
3.5. 粉末X射線衍射
PXRD分析顯示COFTHB具有明顯的結晶性，在2θ = 9.5°處出現低強度峰，表明材料具有多孔結構。d間距為3.95 ?，小于先前報道的二維COF層。
3.6. 掃描電子顯微鏡
SEM圖像顯示COFTHB具有均勻的多孔結構形態，與原料terephthaldehyde的針狀形態形成鮮明對比，證明了共聚反應的成功進行。
3.7. 熱穩定性
TGA分析表明COFTHB具有優異的熱穩定性，在629°C以下保持結構穩定，優于其他已報道的嗪連接COF材料。
3.8. 吸附等溫線
BET測試顯示COFTHB的比表面積為68.57 m2/g，孔徑分布表明其具有介孔特性(3.68 nm)，總孔體積為0.113 cm3/g。
3.9. 生物學研究
抗菌實驗表明，COFTHB對測試的四種細菌均表現出顯著的抑制活性。其對大腸桿菌、銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌和糞腸球菌的抑菌圈直徑分別為6.0、8.0、4.0和5.0 mm。更重要的是，COFTHB的MIC值(4.0-4.6 mg/mL)和MBC值(3.9-4.9 mg/mL)均優于對照抗生素妥布霉素。
3.10. 分子對接研究
分子對接結果表明，COFTHB與多種細菌蛋白(包括大腸桿菌HOT蛋白、銅綠假單胞菌AmpC、金黃色葡萄球菌硫氧還蛋白和糞腸球菌過氧化氫酶)具有良好的結合能力。雖然其結合能低于小分子化合物，但這種差異可能源于COF材料主要通過膜水平相互作用發揮抗菌作用，而非細胞內蛋白靶點。
3.11. 計算化學研究
DFT計算顯示COFTHB具有較小的HOMO-LUMO能隙(4.557 eV)，較高的偶極矩(4.5016 D)和電負性指數(4.538 eV)，這些電子特性有助于其與細菌膜的有效相互作用。分子靜電勢(MEP)分析進一步揭示了COFTHB表面電荷分布的不均勻性，為其抗菌機制提供了理論依據。
本研究成功開發了一種具有優異抗菌性能的新型二維嗪連接共價有機框架COFTHB。該材料通過綠色合成方法制備，具有優異的熱穩定性和化學穩定性。實驗結果表明，COFTHB對多種革蘭氏陽性和陰性細菌均表現出顯著的抗菌活性，其性能優于傳統抗生素妥布霉素。機理研究表明，COFTHB的抗菌活性主要歸因于嗪鍵與細菌膜之間的靜電相互作用、氫鍵形成以及膜去極化效應。
該研究的重要意義在于為水處理領域的抗菌材料開發提供了新思路。COFTHB的綠色合成方法、優異的抗菌性能以及詳細的機理研究，為設計新型抗菌材料奠定了理論基礎。特別是其通過膜相互作用發揮抗菌作用的機制，可能為克服現有抗生素耐藥性問題提供替代解決方案。然而，研究也存在一些局限性，如缺乏直接的機制實驗證據和體內研究數據，這些將是未來研究的重要方向。
總體而言，這項研究不僅開發了一種具有應用前景的抗菌材料，更重要的是為理解COF材料的抗菌機制提供了新的見解，為后續相關研究提供了重要參考。
