CN110028614B - 具有蛋白吸附功能的抗菌微纳米凝胶与纤维及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有蛋白吸附功能的抗菌微纳米凝胶与抗菌水凝胶纤维及其制备方法。所述制备方法包括：将丙烯酸或甲基丙烯酸衍生物可聚合单体、离子基水溶性可聚合单体、可聚合抗菌剂单体溶于去离子水中，将甲基丙烯酸环氧丙酯可聚合单体溶于二甲亚砜中，将两种溶液混合均匀，然后加入交联剂和引发剂，搅拌、溶解得到预聚物溶液；将预聚物溶液中加入四甲基乙二胺，静置成胶，烘干后粉碎即得抗菌微纳米凝胶；将预聚物溶液置于纤维状模板中，通过紫外光照辐照或模板加热引发得到抗菌水凝胶纤维。本发明制备的抗菌微纳米凝胶和水凝胶纤维，具有优异吸水、蛋白吸附和持久抗菌性能，生物相容性好，对人体无害。

Description

具有蛋白吸附功能的抗菌微纳米凝胶与纤维及其制备方法
技术领域
本发明属于凝胶材料及其制备领域，特别涉及一种具有蛋白吸附功能的抗菌微纳米凝胶与纤维及其制备方法。
背景技术
水凝胶是具有三维网络结构的聚合物，可吸附大量的水分而又不被溶解，具有良好的吸水性。微纳米凝胶由于其优异的亲水性能，在农业、组织工程、药物递送和吸附剂等领域有广泛的应用。水凝胶纤维由于其独特的立体结构、良好的吸湿性和较高的生物相容性常常被应用在药物传递、组织工程等领域。微米级水凝胶纤维具有大的比表面积和较好的机械性能，可以织成纤维层。
高度纯化的蛋白质对于解决免疫诊断学，免疫疗法和科学研究中的问题至关重要，因此，目前的生物技术和生物制药工业已经为蛋白质的纯化做出了巨大努力。已经应用常规方法如沉降，透析，超速离心和色谱法来纯化蛋白质。在这些方法中，离子交换具有独特的优势，例如纯化过程每个阶段的普遍适用性，去除杂质的强大能力(例如核酸，外毒素和携带不同电荷的蛋白质，能够纯化不同种类蛋白质的能力，与上述方法相比具有成本效益。基于离子交换的色谱系统通常包含吸附蛋白质的材料，最常见的是具有官能团的吸附材料，包括羧基，磺酰基和季铵基团，这些是影响净化性能的关键。常见的吸附材料主要通过材料大的比表面积、高度曲折的多孔结构和离子型官能团来实现蛋白吸附性能，如专利CN107857836A的介绍，但未见有通过化学反应吸附的报道。
细菌在生物材料表面的黏附、生长进而形成的生物膜造成的生物污染是医疗行业所面临的一大挑战。两性离子聚合物独特的两性离子结构使其具有一些独特的性质。一方面，两性离子聚合物微凝胶具有与蛋白质核酸等生物大分子相似的分子结构，因而具有良好的生物相容性；大多数两性离子聚合物链内引入—OH，—COOH，—SO3H及胺基等亲水基团，从而具有优秀的抗菌性能和抗黏附性能。常用的Ag离子等重金属离子抗菌剂虽然抗菌效果较好，但会在人体中不断积累而危害人体健康。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有蛋白吸附功能的抗菌微纳米凝胶与纤维及其制备方法。
为了解决上述问题，本发明提供了一种具有蛋白吸附功能的抗菌微纳米凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将丙烯酸或甲基丙烯酸衍生物可聚合单体、离子基水溶性可聚合单体、可聚合抗菌剂单体溶于去离子水中，将甲基丙烯酸环氧丙酯可聚合单体溶于二甲亚砜中，将两种溶液混合均匀，然后加入交联剂和引发剂，搅拌、溶解得到预聚物溶液；
步骤2：将步骤1的预聚物溶液中加入四甲基乙二胺，静置成胶，烘干后粉碎，即得具有蛋白吸附功能的抗菌微纳米凝胶。
优选地，按重量份数，所述步骤1中原料组分包括：丙烯酸或甲基丙烯酸衍生物可聚合单体25～100份，离子基水溶性可聚合单体3～10份，甲基丙烯酸环氧丙酯可聚合单体3～10份，可聚合抗菌剂单体3～10份，去离子水50～200份，二甲亚砜5～10份，引发剂0.1～5份，交联剂1～5份。
优选地，所述步骤1中丙烯酸或甲基丙烯酸衍生物可聚合单体为丙烯酸、丙烯酸钠和甲基丙烯酸钠中的任意一种或几种。
优选地，所述步骤1中离子基水溶性可聚合单体为对苯乙烯磺酸钠、丙烯酸二甲氨基乙酯、乙烯基磺酸钠和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠中的任意一种或几种。
优选地，所述步骤1中可聚合抗菌剂单体为甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵和烯丙基三甲基氯化铵中的任意一种或几种。
优选地，所述步骤1中引发剂为过硫酸铵。
优选地，所述步骤1中交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺。
本发明还提供了一种上述方法制备的具有蛋白吸附功能的抗菌微纳米凝胶。
本发明还提供了一种具有蛋白吸附功能的抗菌水凝胶纤维的制备方法，其特征在于，包括将上述方法制备的预聚物溶液置于纤维状模板中，通过紫外光照辐照或模板加热引发得到具有蛋白吸附功能的抗菌水凝胶纤维。
优选地，所述水凝胶纤维直径为200～500μm，纤维杨氏模量为300～600kPa。
本发明还提供了上述方法制备的具有蛋白吸附功能的抗菌水凝胶纤维。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明采用丙烯酸或甲基丙烯酸衍生物与三种可聚合单体自由基引发聚合，具有优异吸水、蛋白吸附和持久抗菌性能。
(2)本发明的制备方法反应条件温和，能耗低，采用一步法易于投入工业生产。
(3)本发明所使用的单体安全、无毒，成本低，聚合生成的微纳米凝胶和水凝胶纤维生物相容性好，对人体无毒害作用。
附图说明
图1为实施例1制备的水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌共6天抗菌效果图；其中，a为对大肠杆菌的抗菌效果图；b为对金黄色葡萄球菌的抗菌效果图；
图2为实施例1-4制备的抗菌微纳米凝胶和抗菌水凝胶纤维的细胞毒性测试结果图；Gel1为实施例1，Gel2为实施例2，Gel3为实施例3，Gel4为实施例4。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例中采用纯牛奶替代蛋白质溶液进行测定，将0.1g样品放入1mL纯牛奶中，观察牛奶被吸收的情况，并记录完全吸收所用时间。
实施例中抑菌实验依据GBT 20944.1-2007方法并稍作改变，具体方法为：依据标准规定方法配制菌液及琼脂培养基，分别取金色葡萄糖球菌及大肠杆菌菌液0.5mL用PBS缓冲液稀释100倍，然后取稀释后的菌液1mL分别接种于两个琼脂培养基上制备金色葡萄糖球菌培养基A及大肠杆菌琼脂培养基B，制备不含细菌的琼脂培养基C和D；将冻干后的水凝胶取0.1g溶涨于去离子水中，待完全溶涨后，将水凝胶分别放于琼脂培养基(a)及(b)上。在37℃恒温培养箱中培养，分别放于琼脂培养基(A)及(B)上，每隔24小时将水凝胶移植至新的涂有菌液的琼脂培养皿中，直至抑菌带消失，从而测试其抗菌持久性。抗菌结果的定量计算公式为：
H＝(D-d)/2
其中，H为抑菌带宽度；D为抑菌带外径的平均直径；d为圆形滤纸的平均直径。
实施例中水凝胶的细胞毒性可以通过MTS法来评估，即被活细胞线粒体中的多种脱氢酶还原成各自有色的甲瓒产物，其颜色深浅与某些敏感细胞株的活细胞数在一定范围内呈高度相关。选取形态为梭形或三角形的L-929成纤维细胞进行细胞种植，当放置有水凝胶的24孔培养板在37℃的二氧化碳培养箱中培养48小时后，用移液枪将24孔培养板里的培养基，加入MTS溶液直至淹没水凝胶材料，然后在二氧化碳培养箱内培养4小时后，去上层清液，用培养基稀释，每种样品取8份置于96孔板中，在酶标仪上设定492nm的波段测其吸光(OD)值，再细胞相对增殖率(RGR)来反映实验过程中细胞的生长及增值状况，细胞相对增殖率(RGR)的公式为：
Figure BDA0002029068140000041
实施例1
本实施例提供了一种具有蛋白吸附功能的抗菌微纳米凝胶，具体制备步骤如下：
步骤1：将甲基丙烯酸钠2.8g，苯乙烯磺酸钠0.36g，甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱0.36g溶于5mL去离子水中，将甲基丙烯酸环氧丙酯0.36g溶于0.5mL二甲亚砜中，溶解完全后将两种溶液混合均匀，再加入0.12g N,N-亚甲基双丙烯酰胺，0.1g过硫酸铵于混合溶液中，搅拌、溶解得到预聚物溶液；
步骤2：将步骤1的预聚物溶液中加入10μL四甲基乙二胺，室温下静置2min成胶，然后放入真空烘箱中70℃干燥24h后粉碎，利用60目筛网固定粒径，得到抗菌微纳米凝胶，平均粒径为250μm。
纯牛奶模拟实验结果为经过180s后，1mL纯牛奶被完全吸收。
抗菌测试结果如图1所示，结果显示水凝胶对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌都有较好的抑菌效果，第1天抑菌带金黄色葡萄球菌可达15mm；大肠杆菌可达10mm，第6天仍然具有抗菌效果。
细胞毒性测试结果如图2所示，细胞存活率在90％以上，满足生物材料对细胞毒性的要求。
实施例2
本实施例提供了一种具有蛋白吸附功能的抗菌微纳米凝胶，具体制备步骤如下：
步骤1：将甲基丙烯酸钠2.8g，苯乙烯磺酸钠0.36g，甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱0.36g溶于5mL去离子水中，将甲基丙烯酸环氧丙酯0.36g溶于0.5mL二甲亚砜中，溶解完全后将两种溶液混合均匀，再加入0.16g N,N-亚甲基双丙烯酰胺，0.1g过硫酸铵于混合溶液中，搅拌、溶解得到预聚物溶液；
步骤2：将步骤1的预聚物溶液中加入10μL四甲基乙二胺，室温下静置2min成胶，然后放入真空烘箱中70℃干燥24h后粉碎，利用40目筛网固定粒径，得到抗菌微纳米凝胶，平均粒径为425μm。
纯牛奶模拟实验结果为经过220s后，1mL纯牛奶被完全吸收。
抗菌测试结果如图1所示，结果显示水凝胶对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌都有较好的抑菌效果，第1天抑菌带金黄色葡萄球菌可达12mm；大肠杆菌可达8mm，第6天仍然具有抗菌效果。
细胞毒性测试结果如图2所示，细胞存活率在90％以上，满足生物材料对细胞毒性的要求。
实施例3
本实施例提供了一种具有蛋白吸附功能的抗菌水凝胶纤维，具体制备步骤如下：
步骤1：将甲基丙烯酸钠2.8g，苯乙烯磺酸钠0.36g，甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱0.36g溶于5mL去离子水中，将甲基丙烯酸环氧丙酯0.36g溶于0.5mL二甲亚砜中，溶解完全后将两种溶液混合均匀，再加入0.12g N,N-亚甲基双丙烯酰胺，0.1g过硫酸铵于混合溶液中，搅拌、溶解得到预聚物溶液；
步骤2：将预聚物溶液置于纤维状模板中，通过波长365nm紫外光照辐照10min引发，真空烘箱中70℃干燥12h，得到具有蛋白吸附功能的抗菌水凝胶纤维，纤维直径为340μm，纤维杨氏模量达到500kPa。
纯牛奶模拟实验结果为经过180s后，1mL纯牛奶被完全吸收。
抗菌测试结果显示抗菌水凝胶纤维对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌都有较好的抑菌效果，第1天抑菌带H金黄色葡萄球菌可达14mm；大肠杆菌可达10mm，第6天仍然具有抗菌效果。
细胞毒性测试结果如图2所示，细胞存活率为88％，满足生物材料对细胞毒性的要求。
实施例4
本实施例提供了一种具有蛋白吸附功能的抗菌水凝胶纤维，具体制备步骤如下：
步骤1：将甲基丙烯酸钠2.8g，苯乙烯磺酸钠0.36g，甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱0.36g溶于5mL去离子水中，将甲基丙烯酸环氧丙酯0.36g溶于0.5mL二甲亚砜中，溶解完全后将两种溶液混合均匀，再加入0.16g N,N-亚甲基双丙烯酰胺，0.1g过硫酸铵于混合溶液中，搅拌、溶解得到预聚物溶液；
步骤2：将预聚物溶液置于纤维状模板中，通过波长365nm紫外光照辐照10min引发，真空烘箱中70℃干燥12h，得到具有蛋白吸附功能的抗菌水凝胶纤维，纤维直径为300μm，纤维杨氏模量达到600kPa。
纯牛奶模拟实验结果为经过200s后，1mL纯牛奶被完全吸收。
抗菌测试结果显示水凝胶纤维对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌都有较好的抑菌效果，第1天抑菌带H金黄色葡萄球菌可达12mm；大肠杆菌可达10mm，第6天仍然具有抗菌效果。细胞毒性测试结果如图2所示，细胞存活率为89％，满足生物材料对细胞毒性的要求。

Claims (11)

1.一种具有蛋白吸附功能的抗菌微纳米凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将丙烯酸或甲基丙烯酸衍生物可聚合单体、离子基水溶性可聚合单体、可聚合抗菌剂单体溶于去离子水中，将甲基丙烯酸环氧丙酯可聚合单体溶于二甲亚砜中，将两种溶液混合均匀，然后加入交联剂和引发剂，搅拌、溶解得到预聚物溶液；所述离子基水溶性可聚合单体为对苯乙烯磺酸钠；所述可聚合抗菌剂单体为甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱；
步骤2：将步骤1得到的预聚物溶液中加入四甲基乙二胺，静置成胶，烘干后粉碎，即得具有蛋白吸附功能的抗菌微纳米凝胶。
2.如权利要求1所述的具有蛋白吸附功能的抗菌微纳米凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤1中原料组分包括以重量份数计的：丙烯酸或甲基丙烯酸衍生物可聚合单体25~100重量份，离子基水溶性可聚合单体3~10重量份，甲基丙烯酸环氧丙酯可聚合单体3~10重量份，可聚合抗菌剂单体3~10重量份，去离子水50~200重量份，二甲亚砜5~10重量份，引发剂0.1~5重量份，交联剂1~5重量份。
3.如权利要求1所述的具有蛋白吸附功能的抗菌微纳米凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤1中丙烯酸或甲基丙烯酸衍生物可聚合单体为丙烯酸、丙烯酸钠和甲基丙烯酸钠中的任意一种或几种。
4.如权利要求1所述的具有蛋白吸附功能的抗菌微纳米凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤1中引发剂为过硫酸铵；交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺。
5.一种具有蛋白吸附功能的抗菌水凝胶纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将丙烯酸或甲基丙烯酸衍生物可聚合单体、离子基水溶性可聚合单体、可聚合抗菌剂单体溶于去离子水中，将甲基丙烯酸环氧丙酯可聚合单体溶于二甲亚砜中，将两种溶液混合均匀，然后加入交联剂和引发剂，搅拌、溶解得到预聚物溶液；所述离子基水溶性可聚合单体为对苯乙烯磺酸钠；所述可聚合抗菌剂单体为甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱；
步骤2：将步骤1得到的预聚物溶液置于纤维状模板中，通过紫外光照辐照或模板加热引发得到具有蛋白吸附功能的抗菌水凝胶纤维。
6.如权利要求5所述的具有蛋白吸附功能的抗菌水凝胶纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤1中原料组分包括以重量份数计的：丙烯酸或甲基丙烯酸衍生物可聚合单体25~100重量份，离子基水溶性可聚合单体3~10重量份，甲基丙烯酸环氧丙酯可聚合单体3~10重量份，可聚合抗菌剂单体3~10重量份，去离子水50~200重量份，二甲亚砜5~10重量份，引发剂0.1~5重量份，交联剂1~5重量份。
7.如权利要求5所述的具有蛋白吸附功能的抗菌水凝胶纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤1中丙烯酸或甲基丙烯酸衍生物可聚合单体为丙烯酸、丙烯酸钠和甲基丙烯酸钠中的任意一种或几种。
8.如权利要求5所述的具有蛋白吸附功能的抗菌水凝胶纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤1中引发剂为过硫酸铵；交联剂为N,N-亚甲基双丙烯酰胺。
9.如权利要求5所述的具有蛋白吸附功能的抗菌水凝胶纤维的制备方法，其特征在于，所述步骤2制得的抗菌水凝胶纤维的直径为200~500μm，纤维杨氏模量为300~600kPa。
10.一种权利要求1~4任意一项所述的具有蛋白吸附功能的抗菌微纳米凝胶的制备方法制得的具有蛋白吸附功能的抗菌微纳米凝胶。
11.一种权利要求5~9任意一项所述的具有蛋白吸附功能的抗菌水凝胶纤维的制备方法制得的具有蛋白吸附功能的抗菌水凝胶纤维。
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"Highly Carboxylated, Cellular Structured, and Underwater Superelastic Nanofibrous Aerogels for Efficient Protein Separation";Fu, QX (Fu, Qiuxia);《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》;20190328;第29卷(第13期);第580-586页 *

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