CN108498543B - 一种银离子超分子抗菌水凝胶及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超分子水凝胶。本发明还公开了前述超分子水凝胶的制备方法和用途。本发明一种超分子水凝胶，是由式Ⅰ所示2‑脱氧‑2‑氟‑鸟嘌呤核苷类似物与银离子制备而成。本发明银离子超分子抗菌水凝胶具有制备简单、毒性低、生物相容性好、稳定性能佳等优势；能有效缓释银离子，抗菌活性良好，尤其是对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌ATCC25923、ATCC33591及具核梭杆菌具有较高的抗菌活性，将其制备成抗菌材料，具有较好的应用前景。

Description

一种银离子超分子抗菌水凝胶及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及生物材料领域，具体涉及一种银离子超分子抗菌水凝胶。
背景技术
银离子具有广谱抗菌活性，对革兰阴性菌、革兰阳性菌、真菌及部分病毒有抗菌作用，因而其作为抗菌材料已有悠久的历史。银离子水凝胶是一种新型凝胶抗菌材料，因其持续有效释放银离子，杀灭伤口及周围细菌，从而改善伤口愈合环境。然而，目前市面上的银离子水凝胶多采用传统化学交联的方法制备，由于力学性能差，不稳定限制了其应用领域的拓展。
在过去的几十年，鸟嘌呤衍生物在结构生物学、药物化学、纳米技术和超分子化学等领域一直受到人们的广泛关注。鸟嘌呤碱基是一个可以形成多重氢键的基本结构单元，也可以与金属阳离子相结合。所以在超分子化学、分子自组装和非共价键合成方面有广泛的用途。
分子自组装是由人类设计，可以制备出有序的且具有特定物理化学性质的纳米材料，如凝胶和液晶等。鸟嘌呤衍生物通过多重氢键的作用而形成的功能化超分子结构，其在离子盐等诱导下可从溶液快速转换形成具有三维空间结构的水凝胶。超分子水凝胶具有生物相容性好、毒性低、可降解、可注射等优势，在生物载药、三维细胞培养、药物缓释、临床医学等材料研究方面具有很大的应用前景。然而，目前鸟嘌呤衍生物制备得到的鸟嘌呤核苷类水凝胶稳定性较差，存在快速析晶而崩解的问题；例如：2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷制备的水凝胶，最快30分钟，最慢15小时就会崩解(Hang Zhao,et al,SupramolecularIsoguanosine Assemblies Form Hydrogels with Excellent Long-Term Stability,ChemPlusChem 2017,82,826-833.)。
因此，制备一种稳定的银离子水凝胶非常重要。
发明内容
本发明提供了一种银离子超分子抗菌水凝胶，及其制备方法和用途。
本发明提供了一种超分子水凝胶，所述水凝胶的单体的结构式为：
Figure BDA0001619648730000021
其中，R1表示核糖，结构式为
Figure BDA0001619648730000022
R为氢、C1-C6烷基、卤素或者苯基。
本发明水凝胶的单体的结构如前述结构式所示，这些单体之间通过非共价键如氢键、Pi-Pi堆积等相互作用形成网状结构，并将水分子包裹在其中，形成水凝胶。
其中，所述水凝胶由式Ⅰ所示2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷类似物与银离子制备而成，所述2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷类似物的结构式如下：
Figure BDA0001619648730000023
其中，R为氢、C1-C6烷基、卤素、苯基。
其中，所述2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷类似物与银离子的比例为：2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷类似物1.75-7重量份、银离子0.025-0.05摩尔份。
其中，所述水凝胶的制备方法由含有2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷类似物和银离子的水溶液制成。
其中，所述水溶液中，2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷类似物的浓度为1.75-7mg/mL；所述银离子浓度为0.025-0.05mol/mL。
其中，所述水溶液中，2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷类似物的浓度为2.85mg/mL；所述银离子浓度为0.03mol/mL。
其中，所述方法是：将含有2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷类似物和银离子的水溶液加热到90～100℃，冷却即可。
本发明还提供了制备超分子水凝胶的方法，其步骤如下：
(1)取2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷类似物，溶于水，加入银离子，形成含有2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷类似物和银离子的水溶液；
(2)将水溶液加热到90～100℃，冷却即可。
所述银离子通过加入硝酸银的方式加入。
本发明还提供了超分子水凝胶在制备抗菌的药物或者材料中的用途。
其中，所述抗菌药物是抗细菌的药物；所述细菌为革兰氏阳性菌或者革兰氏阴性菌；所述革兰氏阳性菌为金黄色葡萄球菌；所述革兰氏阴性菌为具核梭杆菌；优选地，所述的金黄色葡萄球菌为耐甲氧西林金黄色葡萄球菌；所述的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌为耐甲氧西林金黄色葡萄球菌ATCC25923、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌ATCC33591。
本发明还提供了超分子水凝胶在制备防治口腔感染疾病的药物中的用途；优选地；所述的口腔感染疾病包括牙周或牙体损害、牙周炎、龋齿。
其中，具核梭杆菌(Fusobacteriumnucleatum,F.nucleatum)属于革兰阴性专性厌氧菌，是引起口腔感染疾病的致病菌之一。以往的研究已经证实具核梭杆菌的检出率和定植数量与牙周组织的炎症、牙周或牙体破坏程度、龋齿之间存在正相关关系(Yang,N.Y.,etal."Progression of periodontal inflammation in adolescents is associated withincreased number of Porphyromonas gingivalis,Prevotella intermedia,Tannerellaforsythensis,and Fusobacterium nucleatum."International Journal of PaediatricDentistry 24.3(2014):226–233)。因此，抑制具核梭杆菌的数量将能有效治疗口腔感染疾病。
本发明还提供了前述的超分子水凝胶在制备防治口腔感染疾病的药物中的用途；优选地；所述的口腔感染疾病包括牙周或牙体损害、牙周炎、龋齿。
本发明银离子超分子抗菌水凝胶具有制备简单、毒性低、生物相容性好、稳定性能佳等优势；能有效缓释银离子，抗菌活性良好，尤其是对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌ATCC25923、ATCC33591及具核梭杆菌具有较高的抗菌活性，将其制备成抗菌材料，具有较好的应用前景。
显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。
以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
附图说明
图1凝胶的表面形貌；
图2凝胶的稳定性测试；
图3凝胶的细胞毒性及抗菌活性。
具体实施方式
实施例1本发明抗菌水凝胶的制备
(1)将2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷类似物溶于1mL水，形成浓度为2.85mg/mL的2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷类似物溶液；
(2)将硝酸银加入2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷类似物溶液，使得银离子浓度为0.03mol/mL，得1mL母液；
(3)将母液加热至90℃～100℃，冷却至室温形成凝胶，即得银离子超分子抗菌水凝胶。
其中，本实施例的2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷类似物的结构式为：
Figure BDA0001619648730000041
实施例2本发明抗菌水凝胶的制备
(1)将2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷类似物溶于1mL水，形成浓度为1.75mg/mL的2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷类似物溶液；
(2)将银离子加入2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷类似物溶液，使得银离子浓度为0.025mol/mL，得1mL母液；
(3)将母液加热至90℃～100℃，冷却至室温形成凝胶，即得银离子超分子抗菌水凝胶。
其中，本实施例的2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷类似物的结构式为：
Figure BDA0001619648730000051
实施例3本发明抗菌水凝胶的制备
(1)将2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷类似物溶于1mL水，形成浓度为7mg/mL的2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷类似物溶液；
(2)将银离子加入2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷类似物溶液，使得银离子浓度为0.05mol/mL，得1mL母液；
(3)将母液加热至90℃～100℃，冷却至室温形成凝胶，即得银离子超分子抗菌水凝胶。
其中，本实施例的2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷类似物的结构式为：
Figure BDA0001619648730000052
实施例4本发明抗菌水凝胶的表征
通过核磁共振、高分辨质谱及紫外光谱等分析方法，发现2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷能够通过3位上的N和6位上的氧和银离子结合形成ribbon结构复合物：
核磁共振：用重水按照实施例1配制10mg/mL的银离子水凝胶，然后用600MHz的核磁检测化合物的NOE信号。高分辨质谱：将配制好的银离子水凝胶(2mg/mL)用水稀释1000倍，然后用正离子模式ESI-MS检测分子离子峰。
紫外光谱：首先配制0.7mg的2-脱氧-2-F-鸟嘌呤核苷水溶液，然后用0.25M的Ag+进行滴定，分别收集200-400nm波长的紫外吸收。
根据前述结果分析，本发明抗菌水凝胶的单体的结构式如下：
Figure BDA0001619648730000061
R1表示核糖，结构式为
Figure BDA0001619648730000062
以下通过具体药效学实验证明本发明的有益效果：
试验例1本发明抗菌水凝胶的物理性质
1实验材料
2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷(购买自Sigma-Aldrich)，硝酸银(购买自Sigma-Aldrich)，水(超纯水)
2实验方法
本发明抗菌水凝胶按照实施例1的方法制备得到；
扫描电镜SEM：用水配制2mg/L的本发明抗菌水凝胶，冻干，将冻干样品直接放在扫描电镜的观察台，喷金，然后观察凝胶的表面结构。
原子力显微镜AFM：用水配制2mg/L的本发明抗菌水凝胶，加热至100℃，然后将样品滴在云母片上，自然冷却，在常温静置24h后，喷金，用扫描电镜观察凝胶形成的超分子结构。
稳定性测试：用水配制2mg/mL的本发明抗菌水凝胶，在常温下倒置，持续观察期稳定性。
3实验结果
结果如图1所示，将本发明水凝胶经扫描电镜SEM发现该凝胶能够形成多孔的结构，孔径约500nm。将凝胶滴在云母片上进行AFM试验，研究结果显示该凝胶能够形成均匀的纤维状的结构，直径20-30nm。
结果如图2所示，本发明抗菌水凝胶常温下倒置6个月，颜色没发生变化，水凝胶没崩解，表明本发明抗菌水凝胶能保持6个月以上的稳定状态。
试验例2本发明抗菌水凝胶的细胞毒性及抗菌活性的研究
1实验材料
NOK-SI细胞、ATCC25923菌株、ATCC33591菌株、具核梭杆菌、DMSO(二甲基亚砜)、本发明抗菌水凝胶(按照实施例1的方法制备得到)。
2实验方法
2.1细胞毒性测试
通过检测NOK-SI细胞的细胞生存率评价凝胶材料在体外对正常细胞的细胞毒性。分别收集生长良好的细胞，配制成细胞悬液，同时调整其细胞密度接种于96孔板中，等待4-6h细胞贴壁后加入100μl不同浓度的凝胶材料(2、4、8mg·ml-1)，37℃孵育24h、48h、72h后加入20μl MTT，孵育4h，加入DMSO(二甲基亚砜)150μl，检测570nm波长的吸光度值。在体外检测凝胶材料对细胞的毒性。
2.2抗菌活性测试
取ATCC25923、ATCC33591和具核梭杆菌(Fn)，融化后各取100μL到血平板上，涂布棒涂开，平行2个，置入培养箱中，设置温度为37℃，抽真空后充入5％CO2、95％N2，反复4次。培养3-5天后，分别挑取ATCC25923、ATCC33591和具核梭杆菌菌落进行扩增，收集菌体进行试验。采用麦氏比浊法，用无菌水将收集的菌体浓度调整为OD578至0.05。将PBS溶液、ATCC25923菌液、ATCC33591菌液和Fn菌液，100ul/皿的接种量，分别接种于多个BHI血琼脂培养基平板中，涂布棒涂匀，用200μl枪头打孔，每个平板打6个孔；然后，按照表1所示的药物浓度加入本发明抗菌水凝胶凝胶，37℃培养48h后测定抑菌活性。
3实验结果
结果如图3所示，当，本发明凝胶材料的浓度为8mg·ml-1时，与NOK-SI细胞孵育72h后，该细胞生存率依然能保持在90％左右，表明本发明凝胶材料对正常细胞NOK-SI细胞的毒性很小，具有良好的生物安全性。
抗菌活性测试结果如表1所示：
表1抗菌活性测试
Figure BDA0001619648730000081
由表1可知，本发明抗菌水凝胶对ATCC25923、ATCC33591、Fn的MBC50分别为5、12.5、31.25μg/mL，表明本发明抗菌水凝胶具有很好的抗菌活性。
综上，本发明银离子超分子抗菌水凝胶具有制备简单、毒性低、生物相容性好、稳定性能佳等优势；能有效缓释银离子，抗菌活性良好，尤其是对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌ATCC25923、ATCC33591及具核梭杆菌具有较高的抗菌活性，将其制备成抗菌材料，具有较好的应用前景。

Claims (12)

1.一种超分子水凝胶在制备抗菌药物或者抗菌材料中的用途，其特征在于：所述超分子水凝胶的单体的结构式为：
Figure FDA0002974915840000011
其中，R1表示核糖，结构式为
Figure FDA0002974915840000012
R为氢、C1-C6烷基、卤素或者苯基；
所述超分子水凝胶由含有2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷类似物和银离子的水溶液制成；所述水溶液中，2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷类似物的浓度为1.75-7mg/mL；所述银离子浓度为0.025-0.05mol/mL；所述2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷类似物的结构式如下：
Figure FDA0002974915840000013
2.根据其权利要求1所述的用途，其特征在于：所述水溶液中，2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷类似物的浓度为2.85mg/mL；所述银离子浓度为0.03mol/mL。
3.根据权利要求1或2所述的用途，其特征在于：所述超分子水凝胶的制备方法是：将含有2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷类似物和银离子的水溶液加热到90～100℃，冷却即可。
4.根据权利要求1所述的用途，其中所述超分子水凝胶的制备方法包括如下步骤：
(1)取2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷类似物，溶于水，加入银离子，形成含有2-脱氧-2-氟-鸟嘌呤核苷类似物和银离子的水溶液；
(2)将水溶液加热到90～100℃，冷却即可。
5.根据权利要求4所述的用途，其特征在于：所述银离子通过加入硝酸银的方式加入。
6.根据权利要求1所述的用途，其特征在于：所述抗菌药物是抗细菌的药物。
7.根据权利要求6所述的用途，其特征在于：所述细菌为革兰氏阳性菌或者革兰氏阴性菌。
8.根据权利要求7所述的用途，其特征在于：所述革兰氏阳性菌为金黄色葡萄球菌；所述革兰氏阴性菌为具核梭杆菌。
9.根据权利要求8所述的用途，其特征在于：所述的金黄色葡萄球菌为耐甲氧西林金黄色葡萄球菌。
10.根据权利要求9所述的用途，其特征在于：所述的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌为耐甲氧西林金黄色葡萄球菌ATCC25923、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌ATCC33591。
11.根据权利要求1所述的用途，其中所述的抗菌药物或者抗菌材料是指防治口腔感染疾病的抗菌药物或者抗菌材料。
12.根据权利要求11所述的用途，其中所述的口腔感染疾病包括牙周或牙体损害、牙周炎、龋齿。
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