CN107625725A

CN107625725A - 基于氨基酸的含纳米银的抗菌水凝胶及其制备方法和用途

Info

Publication number: CN107625725A
Application number: CN201710806242.3A
Authority: CN
Inventors: 闫学海; 邢蕊蕊; 宋静文; 袁成前; 李淑坤
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2017-09-08
Filing date: 2017-09-08
Publication date: 2018-01-26
Anticipated expiration: 2037-09-08
Also published as: CN107625725B

Abstract

本发明公开了一种基于氨基酸的含纳米银的抗菌水凝胶及其制备方法和用途。此水凝胶基于氨基酸与硝酸银的共组装，形成含纳米银的抗菌水凝胶。本发明的氨基酸水凝胶具有灵活可调的机械性能，均匀的纳米银分布，广谱且持续抑菌性能，凝胶稳定均一，生物相容性好且生物可降解，制备简便。有望在生物纳米材料、无菌处理、伤口敷料、烧创伤护理等方面发挥重要作用。

Description

基于氨基酸的含纳米银的抗菌水凝胶及其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及医用材料领域，尤其涉及一种基于氨基酸的含纳米银的广谱抗菌水凝胶及其制备方法和用途。

背景技术

水凝胶抗菌材料在生物医学领域有着重要的应用，因其良好的流动性及铺展性，吸附性好，持续抗菌特性，且凝胶的三维网络结构具备包载多种抗炎、止痛等有效成分的能力，在作为生物纳米材料、伤口敷料等方面应用广泛。

其中，因纳米银所具有的优异的广谱抗菌活性，基于纳米银的水凝胶材料在生物医学领域发挥着重要的作用。然而，现有的纳米银抗菌水凝胶材料制备过程繁琐，生物相容性差，降解困难，纳米银分布不均匀，颗粒聚集等现状，制约了纳米银抗菌水凝胶材料的广泛应用及发展。

近年来，已公开了多项技术用于制备纳米银抗菌水凝胶，如：专利【抗菌水凝胶及其制备方法】(CN 104586889 A)公开了一种抗菌效果优良、成本低廉的抗菌水凝胶及其制备方法。成份包括90-97％聚(β-氨基酯)、3-10％纳米银，所述聚(β-氨基酯)的分子量为1万-3万。虽具有较好的抗菌效果，但聚合物材料的生物相容性及降解问题不容忽视。专利【一种新型抗菌纳米银温敏水凝胶及其制备方法】(CN 105749334 A)公开了一种温敏抗菌水凝胶，原料选用了天然高分子壳聚糖，但存在壳聚糖溶解困难的制约。专利【一种纳米银抗菌水凝胶及其制备方法】(CN 102698313 A)公开了以天然高分子或其衍生物、合成高分子、含银离子的化合物和水共混，然后采用辐射交联方法制备而成的抗菌水凝胶。具有优良的生物相容性、均匀的纳米银分布和缓释能力，能够有效抑制大肠杆菌等细菌。然而天然高分子经长时间的紫外光辐照交联，易丧失其生物学活性，且此高分子抗菌材料的降解问题也有待考究。

寡肽分子尤其是氨基酸具有明确的结构特征，且基于氨基酸或其衍生物的材料具有极高的生物相容性、可降解性及生物安全性。通过分子之间的自组装机制，如氢键作用、静电相互作用、π-π堆叠等弱相互作用构建具有优良性能的水凝胶体系。此类水凝胶具有较好的可塑性，即机械性能可调，凝胶-溶胶转变灵活，具有一定的生物学活性，易于被机体降解及吸收，生物安全性高。研究发现，此类氨基酸具有一定的抗菌活性。因此，基于氨基酸的抗菌水凝胶能够解决现有抗菌水凝胶生物相容性差、降解困难、毒性高、活性差等弊端，有望在生物医学敷料、组织修复、烧创伤护理等方面发挥重要作用。

发明内容

本发明旨在提供一种基于氨基酸的含纳米银的抗菌水凝胶、其制备方法及其在生物纳米材料、无菌处理、伤口敷料、烧创伤护理等方面的用途。本发明的氨基酸水凝胶具有灵活可调的机械性能，均匀的纳米银分布，广谱且持续的抑菌性能，凝胶稳定均一，生物相容性好且生物可降解，制备简便。此外，该抗菌凝胶还可装载多种抗炎止痛药物成分。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面：本发明提供一种基于氨基酸的含纳米银的抗菌水凝胶，其特征在于：一种含纳米银的抗菌水凝胶，其特征在于：所述抗菌水凝胶包括氨基酸或氨基酸衍生物、纳米银颗粒；所述的氨基酸或氨基酸衍生物为形如X-Y形式的分子，其中，X为选自H、C1～C4的烷基(H-)、乙酰基(Ac-)、N-叔丁氧羰基(Boc-)、苯基(Azo-)、吲哚基(Indo-)、萘乙酰基(Nap-)、N-芴甲氧羰基(Fmoc-)；Y为选自丙氨酸(Ala，A)、亮氨酸(Leu，L)、脯氨酸(Pro，P)、组氨酸(His，H)中的一种。

在本发明的一个优选实施方式中，所述的纳米银颗粒的平均粒径为1 nm-50nm；优选为1nm-10nm。

在本发明的一个优选实施方式中，所述凝胶中氨基酸或其衍生物和纳米银颗粒的质量含量分别为0.1-20％和0.001-5％，水凝胶中水分含量高于80质量％，优选高于90质量％。

在本发明的一个优选实施方式中，所述的氨基酸或氨基酸衍生物含有N- 芴甲氧羰基保护的组氨酸、N-芴甲氧羰基保护的脯氨酸、苯基(Azo-)保护的丙氨酸、N-叔丁氧羰基(Boc-)保护的亮氨酸中的一种或者多种。

在本发明的一个优选实施方式中，该水凝胶通过氨基酸或其衍生物与纳米银的前驱体共组装形成；优选的，所述的纳米银的前驱体包括硝酸银、磺胺嘧啶银、三氟醋酸银(CF3COOAg)等中的一种或两种以上的混合物。

在本发明的一个优选实施方式中，所述的抗菌水凝胶还含有药物活性成分；优选的，所述的活性成分包含：阿司匹林，对乙酰氨基酚，吲哚美辛，吡罗昔康，酮咯酸，可的松、氢化可的松、地塞米松、布洛芬、消炎痛、扑热息痛、保泰松、罗非昔布、塞来昔布、阿托品中的一种或者两种以上的混合物。

在本发明的一个优选实施方式中，所述抗菌水凝胶中氨基酸或其衍生物通过三(羟甲基)氨基甲烷(Tris)进行溶解；优选的，所述抗菌水凝胶中不含有其它纳米银前驱体的还原剂。

在本发明的一个优选实施方式中，所述水凝胶中不含有交联剂。

另一方面，本发明还涉及上述抗菌水凝胶在制备生物纳米材料、无菌处理材料、伤口敷料、烧创伤护理材料中的应用。

本发明还涉及上述抗菌水凝胶在制备抗菌材料或抗菌药物中的应用。

另一方面，本发明还涉及上述抗菌水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

在本发明的一个优选实施方式中，所述的制备方法包括如下步骤：

(1)配置氨基酸溶液，所述溶液中的氨基酸的体积质量分数为 0.1-100mg mL^-1、优选为1-10mg mL^-1。

对于水溶性的氨基酸，直接溶解于三(羟甲基)氨基甲烷(Tris)溶液中。

对于非水溶性的氨基酸，溶于微量的氢氧化钠碱溶液或硝酸酸溶液中，后溶于三(羟甲基)氨基甲烷(Tris)溶液中。所述氢氧化钠溶液的体积质量浓度为0.01-10M，优选为0.1-1M。所述硝酸溶液的体积质量浓度为0.01-10M，优选为0.1-1M；

对于非水溶性的氨基酸，或溶于微量的有机溶液中，后溶于三(羟甲基) 氨基甲烷(Tris)溶液中。所述有机溶剂为二甲基亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF)、六氟异丙醇(HFIP)、乙醇(C₂H₆O)等中的一种或两种以上的混合物；

(2)选用合适的溶液将步骤(1)得到的混合溶液进行pH值的调整，所述的混合溶液最终的pH值为6.5-7.5、优选为6.8-7.2。所述的合适的溶液为氢氧化钠溶液或硝酸溶液，所述氢氧化钠溶液的体积质量浓度为0.01-10M，优选为0.1-1M。所述硝酸溶液的体积质量浓度为0.01-10M，优选为0.1-1M。

(3)配置纳米银前驱体水溶液，所述银的前驱体的体积质量分数为0.1-50mg mL^-1、优选为1-10mg mL^-1。

(4)将步骤(2)所得到的氨基酸的三(羟甲基)氨基甲烷(Tris)溶液与步骤(3)所得到的纳米银的前驱体溶液混合，得到混合溶液。所述混合溶液中的氨基酸与银的前驱体的体积质量分数比为500:1-5:1、优选为 50:1-10:1。

(5)将步骤(4)得到的氨基酸与银的前驱体混合溶液进行超声，超声频率为10-100kHz、优选为20-30kHz；超声时间为1-30min、优选为5-10 min，最终得到凝胶样混合物。

(6)将步骤(5)得到的凝胶样混合物静置于5-45℃、优选为 15-40℃、进一步优选25-37℃下反应一段时间，时间为12h-7d、优选地3-7 d，最终得到氨基酸含纳米银的抗菌水凝胶。

本发明提供一种可包载有效成分的基于氨基酸的含纳米银的抗菌水凝胶的制备方法，其特征在于，含有权利第一方面至第六方面所述凝胶以及可包载的活性成分，所述的可包载活性成分包含：

阿司匹林，对乙酰氨基酚，吲哚美辛，吡罗昔康，酮咯酸，可的松、氢化可的松、地塞米松等消炎成分；

布洛芬、消炎痛、扑热息痛、保泰松、罗非昔布、塞来昔布、阿托品等止痛成分；

上述有效成分中的一种或两种以上的混合物。

本发明提供第七方面所述的可包载有效成分的氨基酸含纳米银的抗菌水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

对于非水溶性的氨基酸，或溶于微量的有机溶液中，后溶于三(羟甲基) 氨基甲烷(Tris)溶液中。所述有机溶剂为二甲基亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF)、六氟异丙醇(HFIP)、乙醇(C2H6O)等中的一种或两种以上的混合物。

(2)配置可包载的有效成分水溶液，所述溶液中可包载的有效成分体积质量分数为0.01-10mg mL^-1、优选为0.1-1mg mL^-1。

(3)将步骤(1)制备得到的氨基酸的三(羟甲基)氨基甲烷(Tris) 溶液与步骤(2)制备得到的可包载的有效成分水溶液混合得到混合溶液。所述混合溶液中可包载的有效成分与氨基酸的体积质量分数为1:1000-1:100、优选为1:500-1:200。

(4)选用合适的溶液将步骤(3)得到的混合溶液进行pH值的调整，所述的混合溶液最终的pH值为6.5-7.5、优选为6.8-7.2。所述的合适的溶液为氢氧化钠溶液或硝酸溶液，所述氢氧化钠溶液的体积质量浓度为0.01-10M，优选为0.1-1M。所述硝酸溶液的体积质量浓度为0.01-10M，优选为0.1-1M。

(5)配置纳米银前驱体水溶液，所述银的前驱体的体积质量分数为 0.1-50mg mL^-1、优选为1-10mg mL^-1。

(6)将步骤(4)所得到的氨基酸与可包载有效成分混合溶液与步骤 (5)所得到的纳米银的前驱体溶液混合，得到混合溶液。所述混合溶液中的氨基酸与银的前驱体的体积质量分数比为500:1-5:1、优选为50:1-10:1。

(7)将步骤(6)得到的氨基酸、可包载有效成分及银的前驱体混合溶液进行超声，超声频率为10-100kHz、优选为20-30kHz；超声时间为1-30 min、优选为5-10min，最终得到凝胶样混合物。

(8)将步骤(7)得到的凝胶样混合物静置于5-45℃、优选为 15-40℃、进一步优选25-37℃下反应一段时间，时间为12h-7d、优选地3-7 d，最终得到包载有效成分的氨基酸含纳米银的抗菌水凝胶。

第九方面：第一方面至第八方面所述的可包载有效成分的氨基酸含纳米银的抗菌水凝胶在生物纳米材料、无菌处理、伤口敷料、烧创伤护理等方面的应用；优选地，所述的氨基酸含纳米银水凝胶具有广谱抗菌性质，具有较好的流动性及延展性，适用于涂抹或敷料材料，具有较好的生物相容性及生物可降解性，以及较高的生物安全性。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明的基于氨基酸的含纳米银的抗菌水凝胶，基于氨基酸与硝酸银的共组装，制备方法简便；水凝胶具有灵活可调的机械性能，均匀的纳米银分布，广谱且持续抑菌性能，凝胶稳定均一，生物相容性好且生物可降解。在生物纳米材料、无菌处理、伤口敷料、烧创伤护理等方面应用潜力巨大。

附图说明

图1为实施例1所得到的水凝胶样品的透射电镜及原子力显微镜图片，展现出良好的三维网络结构，及均匀分布的纳米银颗粒；

图2为实施例2所得到的水凝胶样品的实物图片，倾斜放置，样品不流动，为凝胶状态；

图3为实施例3所得到水凝胶对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的抑菌环实验，表明有明显的抑制效果。

图4为实施例4所得到凝胶体外降解曲线及随时间的抑菌率，说明此凝胶能够随时间进行降解，并有着持续抗菌效果。

图5a和图5b为实施例5所得到的四种水凝胶对革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌)及革兰氏阴性菌(大肠杆菌)的抑菌效果。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，不仅仅限于本实施例。

实施例1

将4mg的N-芴甲氧羰基保护的组氨酸(Fmoc-His-OH)预溶于Tris缓冲溶液，超声辅助溶解完全，调整溶液pH值至中性。配制10mg mL^-1的硝酸银水溶液，取500uL加入上述溶液中混合均匀，置于20kHz超声下反应10min，后静置于室温下老化反应3d，最终得到氨基酸含纳米银的水凝胶。

所得到的水凝胶样品的透射电镜及原子力显微镜图片，展现出良好的三维网络结构，及均匀分布的纳米银颗粒，如附图1所示。

实施例2

将5mg N-芴甲氧羰基保护的脯氨酸(Fmoc-L-Pro)预溶于20uL乙醇溶液中，配置三(羟甲基)氨基甲烷(Tris)溶液，浓度为5mg mL^-1，取300uL 加入到上述乙醇溶液中，混合均匀。配置阿司匹林乙醇溶液，浓度为100mg mL^-1，取100uL加入上述溶液中，混合均匀。调整pH值至6.8后放置于室温下备用。配制10mg mL^-1的三氟醋酸银(CF3COOAg)溶液，取500uL加入上述溶液中混合均匀，置于40kHz超声下反应5min，后静置于室温下老化反应7d，最终得到包载阿司匹林的基于脯氨酸的含纳米银的水凝胶。

所得到的水凝胶样品的实物图片如附图2，倾斜放置，样品不流动，为凝胶状态。

实施例3

将5mg苯基(Azo-)保护的丙氨酸(苯基丙氨酸，Azo-Ala)预溶于10uL 乙醇溶液中，配置三(羟甲基)氨基甲烷(Tris)溶液，浓度为10mg mL^-1，取 500uL加入到上述乙醇溶液中，混合均匀。配置布洛芬乙醇溶液，浓度为200 mg mL^-1，取100uL加入上述溶液中，混合均匀。调整pH值至6.5后放置于室温下备用。配制5mg mL^-1的磺胺嘧啶银氨溶液，取500uL加入上述溶液中混合均匀，置于20kHz超声下反应10min，后静置于室温下老化反应7d，最终得到包载布洛芬的基于丙氨酸的含纳米银的水凝胶。

所得到的水凝胶样品对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌有明显的抑制效果，抑菌环实验结果如附图3。

实施例4

将2mg N-叔丁氧羰基(Boc-)保护的亮氨酸(Boc-Leu-OH)预溶于10uL 的二甲基亚砜溶液中，配置三(羟甲基)氨基甲烷(Tris)溶液，浓度为5mg mL-1，取500uL加入到上述DMSO溶液中，混合均匀。配置罗非昔布水溶液，浓度为50mg mL-1，取100uL加入上述溶液中，混合均匀。调整混合溶液的pH 值至7.3后放置于室温下备用。配制20mg mL-1的硝酸银水溶液，取500uL 加入上述溶液中混合均匀，置于30kHz超声下反应15min，后静置于室温下老化反应48h，最终得到包载罗非昔布的基于亮氨酸的含纳米银的水凝胶。

所得到的水凝胶样品的体外降解曲线和随时间的抑菌率如图4所示，说明此凝胶能够随时间进行降解，并有着持续抗菌效果。

实施例5

将4mg的N-芴甲氧羰基保护的氨基酸(包括亮氨酸，脯氨酸，丙氨酸，组氨酸)预溶于Tris缓冲溶液，超声辅助溶解完全，调整溶液pH值至中性。配制10mg mL^-1的硝酸银水溶液，取500uL加入上述溶液中混合均匀，置于 20kHz超声下反应10min，后静置于室温下老化反应48h，最终得到氨基酸含纳米银的水凝胶。

所得到的水凝胶对革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌)及革兰氏阴性菌(大肠杆菌)的抑菌效果，如附图5。

对于金黄色葡萄球菌的抑菌，相对于AgNO₃溶液，抑菌环实验及水溶液抑菌实验结果证实，含纳米银的Fmoc-亮氨酸、Fmoc-脯氨酸及Fmoc-丙氨酸水凝胶具有较强且较持续地抑菌效果，其中Fmoc-亮氨酸抑菌效果最为明显。 Fmoc-组氨酸凝胶具有一定的抑菌效果，但无硝酸银的抑菌效果好，如图5a。

对于大肠杆菌的抑菌，相对于AgNO₃溶液，抑菌环实验及水溶液抑菌实验结果证实，上述四种水凝胶均表现出更好的抑菌效果，其中Fmoc-脯氨酸和 Fmoc-丙氨酸水凝胶的抑菌效果相对其他两种更加明显。而在液体抑菌实验中水凝胶在接菌48小时展示出比AgNO₃溶液更强的抑菌性能，如图5b。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的产品及详细制备方法，但本发明并不局限于上述产品和详细制备方法，即不意味着本发明必须依赖上述产品和详细制备方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims

1.一种含纳米银的抗菌水凝胶，其特征在于：所述抗菌水凝胶包括氨基酸或氨基酸衍生物、纳米银颗粒；所述的氨基酸或氨基酸衍生物为形如X-Y形式的分子，其中，X为选自H、C1～C4的烷基(H-)、乙酰基(Ac-)、N-叔丁氧羰基(Boc-)、苯基(Azo-)、吲哚基(Indo-)、萘乙酰基(Nap-)、N-芴甲氧羰基(Fmoc-)；Y为选自丙氨酸(Ala，A)、亮氨酸(Leu，L)、脯氨酸(Pro，P)、组氨酸(His，H)中的一种。

2.根据权利要求1所述的抗菌水凝胶，其特征在于所述的纳米银颗粒的平均粒径为1nm～50nm；优选为1nm～10nm。

3.根据权利要求1所述的抗菌水凝胶，其特征在于所述凝胶中氨基酸或其衍生物和纳米银颗粒的质量含量分别为0.1-20％和0.001-5％，水凝胶中水分含量高于80质量％，优选高于90质量％。

4.根据权利要求1所述的抗菌水凝胶，其特征在于所述的氨基酸或氨基酸衍生物含有N-芴甲氧羰基保护的组氨酸、N-芴甲氧羰基保护的脯氨酸、苯基(Azo-)保护的丙氨酸、N-叔丁氧羰基(Boc-)保护的亮氨酸中的一种或者多种。

5.根据权利要求1所述的抗菌水凝胶，其特征在于：该水凝胶通过氨基酸或其衍生物与纳米银的前驱体共组装形成；优选的，所述的纳米银的前驱体包括硝酸银、磺胺嘧啶银、三氟醋酸银(CF3COOAg)等中的一种或两种以上的混合物。

6.根据权利要求1所述的抗菌水凝胶，其特征在于还含有药物活性成分；优选的，所述的活性成分包含：阿司匹林，对乙酰氨基酚，吲哚美辛，吡罗昔康，酮咯酸，可的松、氢化可的松、地塞米松、布洛芬、消炎痛、扑热息痛、保泰松、罗非昔布、塞来昔布、阿托品中的一种或者两种以上的混合物。

7.根据权利要求1所述的抗菌水凝胶，其特征在于：所述抗菌水凝胶中氨基酸或其衍生物通过三(羟甲基)氨基甲烷(Tris)进行溶解。

8.根据权利要求1所述的抗菌水凝胶，其特征在于：所述水凝胶中不含有交联剂。

9.权利要求1-8之一所述的抗菌水凝胶在制备生物纳米材料、无菌处理材料、伤口敷料、烧创伤护理材料中的应用。

10.根据权利要求1-8之一所述的抗菌水凝胶在制备抗菌材料或抗菌药物中的应用。