CN109550049B - 碳量子点-类石墨相氮化碳光催化材料在制备杀菌和促进皮肤疤痕愈合的药物中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了碳量子点‑类石墨相氮化碳光催化材料在制备杀菌和促进皮肤疤痕愈合的药物中的应用，该材料的制备方法包括：将尿素置于500～600℃下进行煅烧，得到石墨相氮化碳粉末；将柠檬酸和乙二胺溶解在水中，在180‑200℃下进行水热合成反应，冷却后干燥，得到碳量子点粉末；先将碳量子点粉末与水混合，再向混合液加入石墨相氮化碳粉末，在15‑60℃的温度下搅拌浸渍12‑24小时后，干燥，得到该催化材料。本发明通过构建体外和体内金黄色葡萄球菌感染模型，发现用特定方法制备获得的碳量子点‑类石墨相氮化碳光催化材料具有更多的光催化反应活性位点，光催化活性更强，且对金黄色葡萄球菌的杀伤作用更明显。

Description

碳量子点-类石墨相氮化碳光催化材料在制备杀菌和促进皮 肤疤痕愈合的药物中的应用

技术领域

本发明涉及光催化材料技术领域，尤其涉及碳量子点-类石墨相氮化 碳光催化材料在制备杀菌和促进皮肤疤痕愈合的药物中的应用。

背景技术

金黄色葡萄球菌(简称金葡菌，SA)是一种重要的革兰阳性致病菌， 可分泌多种侵袭性物质，包括毒力因子和侵袭性蛋白等。SA可引起皮肤 软组织、肺部、骨关节和血液等多部位感染，所致感染性疾病包括肺炎、 败血症、心内膜炎、皮肤软组织感染，甚至中毒性休克综合症等。SA可 通过基因突变及自身耐药基因水平转移等多种耐药机制对多种抗生素产 生耐药性。目前，多耐药SA已成为临床重要致病菌，给临床抗感染治疗 带来巨大挑战。

病原微生物感染一直威胁着人类健康，每年有数百万人死于感染性 疾病。人类在探索有效的杀菌方法方面做出了巨大的努力。当前的多项研 究发现光催化杀菌在取代传统化学方法及有效地应用于微生物污染的修 复具有一定的前景。因为它可以避免一些缺点，如能源消耗低，效率低和 产生致癌副产物等。

氮化碳(C₃N₄)是一种非金属半导体，由地球上含量较多的C、N元 素组成，对可见光有一定的吸收，抗酸、碱、光的腐蚀，稳定性好，结构 和性能易于调控，具有良好的光催化消毒前景，对其进行适当改性，可有 效提高其光催化效果。

目前，关于通过C₃N₄改性提高材料光催化效果和杀菌效果的研究已 有报道，例如：

申请公布号为CN107570191A的发明专利申请文献公开了一种可见 光催化剂的制备方法及用途，该发明通过Au和Ag纳米颗粒在g-C₃N₄表 面的负载，提高其吸收可见光的能力，以此通过在太阳光的照射下使催化 剂产生很好的催化效果，从而减小能源的消耗，同时达到较好的杀菌效果。

申请公布号为CN106395771A的发明专利申请文献公开了一种石墨 相氮化碳量子点的制备方法，该方法包括：称取40g硫脲均匀平铺于坩埚 底部，将坩埚置于马弗炉中高温煅烧，煅烧温度为500℃，升温速率3℃ /min，煅烧时间为2h，得到石墨相氮化碳体。

发明内容

本发明提供了碳量子点-类石墨相氮化碳光催化材料在制备杀菌和促 进皮肤疤痕愈合的药物中的应用，采用特定制备方法获得的碳量子点-类 石墨相氮化碳光催化材料具有更多了光催化反应活性位点，光催化活性 强，且对金黄色葡萄球菌具有明显杀菌作用，能够使金黄色葡萄球菌感染 的皮肤疤痕快速愈合。

具体技术方案如下：

本发明提供了碳量子点-类石墨相氮化碳光催化材料在制备杀菌药物 中的应用，所述碳量子点-类石墨相氮化碳碳量子点-类石墨相氮化碳光催 化材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将尿素置于500～600℃下进行煅烧，得到石墨相氮化碳粉末；

(2)将柠檬酸和乙二胺溶解在水中，在180-200℃下进行水热合成反 应，冷却后干燥，得到碳量子点粉末；

(3)先将碳量子点粉末与水混合，再向混合液加入石墨相氮化碳粉 末，在15-60℃的温度下搅拌浸渍12-24小时后，干燥，得到碳量子点-类 石墨相氮化碳光催化材料。

本发明将g-C₃N₄和量子点的优点结合起来，制备出石墨相氮化碳量子 点(CNQDs)，即：碳量子点-类石墨相氮化碳光催化材料；溶液中具有荧 光性质的石墨相氮化碳量子点在给电子体或者供电子体的作用下会发生 荧光猝灭，量子点的这种受到光而发生电子转移的现象，使得量子点能够 在光转换和相关应用中发挥重要作用，可以与多种材料复合形成异质结催 化材料，具有十分可观的应用价值。

进一步地，步骤(1)中，所述煅烧的时间为2～4h；加热速率为 3～5℃/min。

进一步地，步骤(2)中，水热合成反应的时间为5～8h。

进一步地，步骤(3)中，所述碳量子点粉末与石墨相氮化碳粉的质 量比为1:30～40。

进一步地，所述的菌为金黄色葡萄球菌。

进一步地，所述碳量子点-类石墨相氮化碳光催化材料通过提高菌细 胞内的活性氧基团含量和增大细胞膜通透性杀死金黄色葡萄球菌。

本发明通过建立体外和体内SA感染模型，发现了碳量子点-类石墨相 氮化碳光催化材料具有杀灭金黄色葡萄球菌作用，并且更进一步地发现碳 量子点-类石墨相氮化碳光催化材料可以加快金黄色葡萄球菌感染所造成 的皮肤疤痕的愈合，且该材料对皮肤无毒性作用。

本发明还提供了碳量子点-类石墨相氮化碳光催化材料在制备促进皮 肤疤痕愈合的药物中的应用，所述皮肤疤痕由金黄色葡萄球菌感染而形 成；所述碳量子点-类石墨相氮化碳光催化材料的制备方法，包括以下步 骤：

(1)将尿素置于500～600℃下进行煅烧，得到石墨相氮化碳粉末；

(2)将柠檬酸和乙二胺溶解在水中，在180-200℃下进行水热合成反 应，冷却后干燥，得到碳量子点粉末；

(3)先将碳量子点粉末与水混合，再向混合液加入石墨相氮化碳粉 末，在15-60℃的温度下搅拌浸渍12-24小时后，干燥，得到碳量子点-类 石墨相氮化碳光催化材料。

进一步地，步骤(1)中，所述煅烧的时间为2～4h，加热速率为 3～5℃/min；

进一步地，步骤(2)中，水热合成反应的时间为5～8h；

进一步地，步骤(3)中，所述碳量子点粉末与石墨相氮化碳粉的质 量比为1:30～40。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过体外杀菌实验和建立小鼠金黄色葡萄球菌皮肤感染 模型的实验，发现用特定方法制备获得的碳量子点-类石墨相氮化碳光催 化材料具有更多的光催化反应活性位点，光催化活性强，且对金黄色葡萄 球菌具有明显杀菌作用。

(2)本发明还发现该特定方法制备获得的碳量子点-类石墨相氮化碳 光催化材料能够促进金黄色葡萄球菌感染而形成的皮肤疤痕的快速愈合。

附图说明

图1为实施例1中CQDs/g-C₃N₄的透视电镜表征；

其中，A为X射线衍射图，Intensity是指强度；B为CQDs/g-C₃N₄的 透射电镜图；C为CQDs/g-C₃N₄的高分辨透视电镜图；D为C中白色圆圈 标记的单个碳量子点高分辨透射电镜图；2Theta：X射线的入射角度； intensity(a.u.)：相对强度；nm：纳米；

埃。

图2为实施例1中CQDs/g-C₃N₄的拉曼光谱和XPS光谱；

其中，A为g-C₃N₄和CQDs/g-C₃N₄的拉曼光谱；B为g-C₃N₄和 CQDs/g-C₃N₄的X射线光电子能谱分析；Raman Shift：拉曼位移；Intensity (a.u.)：相对强度；Binding Energy：结合能；eV：电子伏特。

图3为实施例1中CQDs/g-C₃N₄的紫外可见吸收光谱，禁带宽度曲线 表征，电化学阻抗图和瞬时光电流图；

其中，A为g-C₃N₄和CQDs/g-C₃N₄的紫外可见吸收光谱；B为g-C₃N₄和CQDs/g-C₃N₄的禁带宽度表征；C为黑暗条件下，g-C₃N₄和CQDs/g-C₃N₄的EIS图；内置图为由EIS图拟合所得的等效电路图；R₁表示电化学电池 中的电阻，R₂表示半导体的电荷转移电阻，R₃表示半导体与电解质界面 的电荷转移电阻，C₁和Q₁分别为等效电路模式下的电容器与电感器；D 为g-C₃N₄和CQDs/g-C₃N₄修饰电极的瞬态光电流响应图。太阳符号代表 光照条件，月亮符号代表黑暗条件；absorption intensity：吸收强度； Wavelength：波长；Eg：能带值；eV：电子伏特；α：吸光系数；h：普 朗克常熟；v：光子频率；Z’:实部阻抗；Z”:虚部阻抗；Ohm：欧姆；Fitting line：拟合曲线；R₁：电化学电池中的电阻；R₂：半导体的电荷转 移电阻；R₃：半导体与电解质界面的电荷转移电阻；C₁：电容器；Q₁：电 感器。Time(s):时间(秒)；photocurrentdensity：光电流密度；μA cm-1微安 每平方厘米。

图4为实施例2中在不同光照时间下CQDs/g-C₃N₄对金黄色葡萄球菌 的杀伤效应；

其中，times(min)：时间(分钟)；Cell Density：细胞密度；light controlwithout photocatalysts：无催化剂光照处理；Dark control without photocatalysts：无催化剂黑暗处理；Dark control with g-C₃N₄:g-C₃N₄黑暗 处理组；Dark control withCQDs/g-C₃N₄:CQDs/g-C₃N₄黑暗处理组；g-C₃N₄: g-C₃N₄光照处理组；CQDs/g-C₃N₄：CQDs/g-C₃N₄光照处理组。

图5为实施例2中CQDs/g-C₃N₄作用后的金黄色葡萄球菌胞内活性氧 基团的水平，胞外钾离子的浓度，以及分别作用0分钟，60分钟，120分 钟，和180分钟后扫描电镜图像；

其中，A为经g-C₃N₄和CQDs/g-C₃N₄光催化杀菌后的金葡菌胞内ROS 水平(相对于0min时的胞内ROS水平)；B为金葡菌胞内钾离子的释放 量。；C为经CQDs/g-C₃N₄光催化杀菌处理0min,60min,120min,180min 后细菌的扫描电镜图；times(min)：时间(分钟)；relative ROS level：相 对活性氧水平；C0：起始浓度；C：某时刻浓度；Dark control withg-C₃N₄: g-C₃N₄黑暗处理组；Dark control with CQDs/g-C₃N₄:CQDs/g-C₃N₄黑暗处 理组；g-C₃N₄:g-C₃N₄光照处理组；CQDs/g-C₃N₄：CQDs/g-C₃N₄光照处理 组；pore：孔洞。

图6为实施例3中CQDs/g-C₃N₄在小鼠体内实验中的光催化效应；

其中，A为光照条件下各组小鼠不同时间点的背部照片；B为光照条 件下各组小鼠不同时间点的背部疤痕面积；C为光照条件下各组小鼠不同 时间点的背部皮肤细菌载量；D为黑暗条件下各组小鼠不同时间点的背部 照片；E为黑暗条件下各组小鼠不同时间点的背部疤痕面积；F为黑暗条 件下各组小鼠不同时间点的背部皮肤细菌载量；Days：天数；Lesion area： 创口面积；CFU/mg of tissue：每毫克组织细菌载量；control：对照组。

图7为实施例3中CQDs/g-C₃N₄和g-C₃N₄在体内外的药物毒性分析；

其中，A为光照条件下各组小鼠不同时间点的背部照片；B为光照条 件下各组小鼠不同时间点的背部创伤面积；C为不同浓度的g-C₃N₄对 HaCaT细胞的毒性效应；D为不同浓度的CQDs/g-C₃N₄对HaCaT细胞的 毒性效应；Days：天数；Lesion area：创口面积；Hours：小时；Control： 对照组；absorption of OD 450nm：450nm处吸光度。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，以下列举的仅是本发明 的具体实施例，但本发明的保护范围不仅限于此。

实施例1CQD_s/g-C₃N₄的制备

1、石墨相氮化碳(Graphite Carbon Nitride，g-C₃N₄)的合成

将尿素(30g)置于带有盖子的陶瓷坩埚中，并在550℃下煅烧2小时， 加热速率为4℃/min，获得浅黄色粉末，即为g-C₃N₄。

2、碳量子点(Carbon Quantum Dots，CQDs)的合成

将3g柠檬酸和1mL乙二胺溶解在30mL去离子水中，得到混合溶液 I；再将混合溶液I转移到50mL水热合成反应釜中，并在200℃下加热5 小时；反应后，将反应器自然冷却至室温，在80℃下干燥24小时，得到 的深棕色粉末，即为碳量子点。

3、碳量子点-类石墨相氮化碳(CQDs/g-C₃N₄)的合成

将6mg CQDs与30mL水混合，得到混合溶液II，再将200mg g-C₃N₄分散在混合溶液II中；在60℃的温度下搅拌浸渍12小时后，再在80℃下 干燥，得到相应的产物碳量子点-类石墨相氮化碳(CQDs/g-C₃N₄)。

产品碳量子点-类石墨相氮化碳(CQDs/g-C₃N₄)的测试：

(1)对上述产物碳量子点-类石墨相氮化碳(CQDs/g-C₃N₄)进行X 光谱衍射和电镜观察，结果如图1所示。

结果发现：在CQDs加入过程中，g-C₃N₄结构得到了很好的保留，材 料合成成功(见图1)。

对于g-C₃N₄和CQDs/g-C₃N₄，在12.8°和27.6°处的典型X射线衍射 (XRD)强峰对应于层状g-C₃N₄的(100)和(002)衍射面，这表明在 碳量子点的负载过程中，g-C₃N₄的结构得到了很好的保留。与g-C₃N₄类 似，CQDs/g-C₃N₄呈现出超薄纳米片结构。对于CQDs/g-C₃N₄样品，图 1D呈现出图1C所圈出的碳量子点所相对应的晶格条纹，其晶面间距为

这归因于石墨碳的[101]晶面。

(2)用HR 800光谱仪和Thermo Scientific ESCALAB 250光谱仪对 CQDs/g-C₃N₄进行检测。

拉曼测量通过配备633nm He-Ne激光源的HR800光谱仪(Horiba Jobin YvonInc.，France)测得。使用具有单色Al-Kα源(hν＝1486.6eV)的Thermo Scientific ESCALAB250光谱仪(Thermo Fisher Scientific，USA)进行XPS 的测定，并且所有结合能以C1s峰284.4eV做为参考。

图2说明，在CQDs/g-C₃N₄的拉曼光谱中也可以发现1336和1556cm^-1处的两个石墨碳的特征峰。在高分辨率C1s光谱的两个样品中都可以看到 288.3eV和284.9eV的特征峰，分别证明了sp²碳(N-C＝N)和石墨碳的 存在。此外，在用CQD修饰后，在286.3eV的峰归因于碳量子点的sp²杂化碳。这表明碳量子点的负载成功。

(3)采用Hitachi UH4150UV-Visible可见光分光光度计在200-800nm 的波长范围内检测CQDs/g-C₃N₄的紫外可见吸收光谱；采用Edinburgh Instruments FLS980检测光致发光光谱，激发波长为380nm；使用Biologic 电化学工作站在0.1M Na₂SO₄和0.1M Na₂SO₃的混合溶液中检测 CQDs/g-C₃N₄的电化学阻抗谱，其中极化点位为10mV，频率范围为100kHz 至100mHz。瞬态光电流响应在0.1M Na₂SO₄和0.1M Na₂SO₃的混合溶液 中进行检测，每隔10s转换一次黑暗或光照条件。

结果发现：与g-C₃N₄相比，CQDs/g-C₃N₄对光谱的利用范围增加，具 有更好的电荷转移性质，光电流密度更高。(见图3)

实施例2碳量子点-类石墨相氮化碳(CQDs/g-C₃N₄)在杀金黄色葡萄球 菌中的作用

1、将CQDs/g-C₃N₄与SA相互作用，检测SA的存活量。每隔20分 钟进行取样，用标准平板计数法计算SA存活数。

将金黄色葡萄球菌在胰蛋白酶大豆肉汤(TSB)培养基中培养，然后 重悬于磷酸盐缓冲液(PBS，0.01M，pH7.4)中以构建最终的金黄色葡萄 球菌悬浮液(10⁷CFU mL^-1)。对于每次杀菌实验，将50mL金黄色葡萄 球菌悬浮液和50mg光催化剂粉末混合于烧杯中。将细菌和光催化剂在室 温下在磁力搅拌器上进行均匀混合，同时用配备有UV截止滤光器(λ <400nm)的300W氙灯照射。该过程中的照度控制在～100mW cm^-2。随着 反应的进行，以预定的间隔小心地移液混合物，并通过平板计数法测定细 菌浓度。

结果发现：光照条件下，CQDs/g-C₃N₄与SA作用后，SA的数量显著 下降(见图4)

2、将CQDs/g-C₃N₄与SA相互作用，检测SA的活性氧基团和钾离子 泄露水平。

将金黄色葡萄球菌在胰蛋白酶大豆肉汤(TSB)培养基中培养，然后 重悬于磷酸盐缓冲液；对于每次杀菌实验，将50mL金黄色葡萄球菌悬浮 液和50mg光催化剂粉末混合于烧杯中。将细菌和光催化剂在室温下在磁 力搅拌器上进行均匀混合，同时用配备有UV截止滤光器(λ<400nm) 的300W氙灯照射。该过程中的照度控制在～100mW cm^-2。

胞内活性氧水平：通过2'，7'-二氯荧光素二乙酸酯(DCFH-DA)测 定测量细胞内ROS水平，将2mL经照射的细菌悬浮液与DCFH-DA在黑 暗中于37℃温育30分钟。然后将样品重悬于PBS溶液中并通过酶标仪分 析，其中激发波长为488nm，发射波长为525nm。

钾离子泄露水平：用于表征细胞膜通透性，胞外钾离子浓度越高，细 胞膜通透性越大。将特定时间所取4mL经辐照的细菌悬浮液样品4000×g 离心10min，上清液过0.22μm滤膜，使用原子吸收光谱仪测定胞外钾离 子浓度。

结果发现：与g-C₃N₄组比较，CQDs/g-C₃N₄组SA的胞内活性氧水平 和细胞膜通透性明显上升。(见图5)

实施例3碳量子点-类石墨相氮化碳(CQDs/g-C₃N₄)在修复金黄色葡萄 球菌感染皮肤中的作用

1、将6-8周龄的C57BL/6雌鼠分为未用药组、CQDs/g-C₃N₄组以及g-C₃N₄组。

首先，配制1.5％异戊巴比妥钠溶液，以120μl/20g的量给小鼠进行腹 腔注射麻醉，构建SA皮肤感染模型。

然后，在各组小鼠背部皮肤造80mm²面积的无菌创口，将1×10⁷CFU 的金葡菌涂抹在窗口处，随后分别在背后敷100mg的CQDs/g-C₃N₄或 g-C₃N₄，光照条件下照射2个小时。

观察各组皮肤疤痕的面积和细菌载量。

结果发现：与g-C₃N₄组相比，CQDs/g-C₃N₄组小鼠皮肤疤痕愈合更快 (见图6)。

2、将CQDs/g-C₃N₄敷于小鼠未感染皮肤处，观察对皮肤的影响，同 时采用CCK8方法观察CQDs/g-C₃N₄对人皮肤角质层细胞系HaCaT的毒 性作用。

将6-8周龄的C57BL/6雌鼠分为未用药组、CQDs/g-C₃N₄组以及g-C₃N₄组。在各组小鼠背部皮肤造80mm²面积的无菌创口，随后分别在背后敷 100mg的CQDs/g-C₃N₄和g-C₃N₄，光照条件下照射2个小时。

体外部分，分别将不同浓度(10μL；1mg mL^-1,5mg mL^-1,10mg mL^-1) 的CQDs/g-C₃N₄和g-C₃N₄作用于HaCaT细胞(90μL,1×10⁴cell/well)，用 CCK8试剂盒检测不同作用时间两种材料对HaCaT细胞的毒性效应。

结果发现：体内体外实验均显示CQDs/g-C₃N₄对皮肤均无毒副作用。 (见图7)。

Claims (4)

1.碳量子点-类石墨相氮化碳光催化材料在制备促进皮肤疤痕愈合的药物中的应用，其特征在于，所述皮肤疤痕由金黄色葡萄球菌感染而形成；所述碳量子点-类石墨相氮化碳光催化材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将尿素置于500~600℃下进行煅烧，得到石墨相氮化碳粉末；

（2）将柠檬酸和乙二胺溶解在水中，在180-200 ℃下进行水热合成反应，冷却后干燥，得到碳量子点粉末；

（3）先将碳量子点粉末与水混合，再向混合液加入石墨相氮化碳粉末，在15-60 ℃的温度下搅拌浸渍12-24小时后，干燥，得到碳量子点-类石墨相氮化碳光催化材料；

所述碳量子点-类石墨相氮化碳光催化材料通过提高菌细胞内的活性氧基团含量和增加细胞膜的通透性杀死金黄色葡萄球菌。

2.如权利要求1所述的碳量子点-类石墨相氮化碳光催化材料在制备促进皮肤疤痕愈合的药物中的应用，其特征在于，步骤（1）中，所述煅烧的时间为1~3 h；加热速率为3~5℃/min。

3.如权利要求1所述的碳量子点-类石墨相氮化碳光催化材料在制备促进皮肤疤痕愈合的药物中的应用，其特征在于，步骤（2）中，水热合成反应的时间为5~8 h。

4.如权利要求1所述的碳量子点-类石墨相氮化碳光催化材料在制备促进皮肤疤痕愈合的药物中的应用，其特征在于，步骤（3）中，所述碳量子点粉末与石墨相氮化碳粉的质量比为1 : 30~40。

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