CN110054713A - 含抗菌肽的两亲性接枝共聚物及其制备方法和应用 - Google Patents

含抗菌肽的两亲性接枝共聚物及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种含抗菌肽的两亲性接枝共聚物及其制备方法和应用，该两亲性接枝共聚物由疏水性高分子的链段和抗菌肽通过共价键相连制成，其作为抗菌剂或药物载体在临床抗感染、抗癌药物靶向释放或纳米医学方面中得以应用；本发明的两亲性接枝共聚物选用了生物相容性良好的疏水性高分子的链段代替了抗菌肽中的疏水性氨基酸链段，因此没有细胞毒性，且具有优异的生物相容性和生物可降解性；另外，其具有优异的广谱抗菌性能，与天然抗菌肽类似的膜破坏抗菌机理相同，均不易诱导细菌产生耐药性；本发明的含抗菌肽的两亲性接枝共聚物的结构可控、合成步骤简便、成本低廉，且能够实现产业化生产。

Description

含抗菌肽的两亲性接枝共聚物及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于医用高分子材料技术领域，具体涉及一种含抗菌肽的两亲性接枝共聚物及其制备方法和应用。
背景技术
抗生素的滥用和乱用导致耐药菌和超级细菌的产生，寻找不同于传统抗生素抗菌机理的抗菌剂迫在眉睫。天然抗菌肽不仅具有广谱高效杀菌活性，而其膜破坏机理不同于传统抗生素，即带正电荷的抗菌肽通过静电作用吸附到带负电荷的细菌细胞膜的表面，然后疏水高分子链段插入到细菌细胞膜中，导致其细胞膜上产生孔洞，细菌内容物流出，从而杀死细菌。这种特殊的膜破坏抗菌机理使细菌难以对抗菌肽产生耐药性。然而天然抗菌肽的提取过程复杂，产量低而且成本高，因此化学合成的方式合成与天然抗菌肽结构相似的抗菌剂有深远的研究意义。与此同时，部分抗菌肽的疏水性氨基酸残基如苯环等对人体正常细胞有较大毒性，制约了抗菌肽在临床医疗等领域的发展，合成无细胞毒性、生物相容性好且可降解的抗菌剂一直是抗菌材料研究者的共同目标。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的首要目的是提供一种含抗菌肽的两亲性接枝共聚物。
本发明的第二个目的在于提供一种含抗菌肽的两亲性接枝共聚物的制备方法。
本发明的第三个目的在于提供一种含抗菌肽的两亲性接枝共聚物的应用。
为达到上述目的，本发明的解决方案是：
一种含抗菌肽的两亲性接枝共聚物，其结构式如下：
其中，n选自1-50中的整数，m选自大于50的整数，n和m分别代表各疏水性高分子的链段的聚合度，ran表示无规共聚的链段，Pep表示抗菌肽。
优选地，抗菌肽选自蜂毒素、ε-聚赖氨酸、LL-37、杆菌肽和天蚕素中的一种以上。
优选地，疏水性高分子为含羧基的壳聚糖。
一种上述的含抗菌肽的两亲性接枝共聚物的制备方法，其包括如下步骤：
(1)、将疏水性高分子、N,N’-二环己基碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺在有机溶剂内反应，得到含疏水性高分子的链段，其结构式为：
其中，n代表含疏水性高分子的链段的聚合度；
(2)、将含疏水性高分子的链段溶于有机溶剂内，并加入抗菌肽进行反应，经洗涤、沉淀、干燥后，得到含抗菌肽的两亲性接枝共聚物，其结构式为：
其中，n选自1-50中的整数，m选自大于50的整数，n和m分别代表各疏水性高分子的链段的聚合度，ran表示无规共聚的链段，Pep表示抗菌肽。
优选地，抗菌肽选自蜂毒素、ε-聚赖氨酸、LL-37、杆菌肽和天蚕素中的一种以上。
优选地，疏水性高分子为含羧基的壳聚糖。
优选地，步骤(1)和步骤(2)中，有机溶剂选自四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、二氯甲烷、甲苯、丙酮和二甲基亚砜中的任意一种或几种。
优选地，步骤(2)中，含疏水性高分子的链段与抗菌肽的摩尔比为1:(1-100)。
优选地，步骤(1)的反应的温度为-10-60℃，反应的时间为1-24h。
优选地，步骤(2)的反应的温度为-10-60℃，反应的时间为1-24h。
一种上述的含抗菌肽的两亲性接枝共聚物作为抗菌剂或药物载体在临床抗感染、抗癌药物靶向释放或纳米医学方面中应用。
由于采用上述方案，本发明的有益效果是：
第一、本发明的含抗菌肽的两亲性接枝共聚物选用了生物相容性良好的疏水性高分子的链段代替了抗菌肽中的疏水性氨基酸的链段，因此没有细胞毒性，且具有优异的生物相容性和生物可降解性。
第二、本发明的含抗菌肽的两亲性接枝共聚物具有优异的广谱抗菌性能，与天然抗菌肽类似的膜破坏抗菌机理相同，均不易诱导细菌产生耐药性。
第三、本发明的含抗菌肽的两亲性接枝共聚物的结构可控、合成步骤简便、成本低廉，且能够实现产业化生产。
附图说明
图1为本发明的含抗菌肽的两亲性接枝共聚物的结构式。
图2为本发明的含抗菌肽的两亲性接枝共聚物的示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种含抗菌肽的两亲性接枝共聚物及其制备方法和应用。
<含抗菌肽的两亲性接枝共聚物>
本发明的含抗菌肽的两亲性接枝共聚物，其由疏水性高分子的链段和抗菌肽通过共价键相连制成，其结构式如下：
其中，n选自1-50中的整数，m选自大于50的整数，n和m分别代表各疏水性高分子的链段的聚合度，ran表示无规共聚的链段，Pep表示天然或人工合成的抗菌肽。
(抗菌肽)
抗菌肽可以选自蜂毒素(melittin)、ε-聚赖氨酸(EPL)、LL-37、杆菌肽和天蚕素中的一种以上。
(疏水性高分子)
疏水性高分子为含羧基的壳聚糖。
实际上，上述含抗菌肽的两亲性接枝共聚物与天然阳离子型抗菌肽的结构相似，故其抗菌机理也与天然阳离子型抗菌肽相似，均是膜破坏型抗菌机理。上述两亲性接枝共聚物支链上带正电荷的抗菌肽与带有负电荷的细菌细胞膜产生静电吸附作用，疏水性高分子的链段插入细胞膜内部，破坏膜的完整性，导致细胞膜内的细胞内容物外泄，最终引起细菌死亡。上述两亲性接枝共聚物用作抗菌剂时，也不易诱导细菌产生耐药性。
<含抗菌肽的两亲性接枝共聚物的制备方法>
本发明的含抗菌肽的两亲性接枝共聚物的制备方法包括如下步骤：
(1)、将疏水性高分子、N,N’-二环己基碳二亚胺(DCC)和N-羟基琥珀酰亚胺(HOSu)在有机溶剂内反应，得到含疏水性高分子的链段，其结构式为：
其中，n代表含疏水性高分子的链段的聚合度；
(2)、将含疏水性高分子的链段溶于有机溶剂内，并加入抗菌肽进行反应，经洗涤、沉淀、干燥后，得到含抗菌肽的两亲性接枝共聚物，其结构式为：
其中，n选自1-50中的整数，m选自大于50的整数，n和m分别代表各疏水性高分子的链段的聚合度，ran表示无规共聚的链段，Pep表示抗菌肽。
(抗菌肽)
抗菌肽选自蜂毒素、ε-聚赖氨酸、LL-37、杆菌肽和天蚕素中的一种以上。
(疏水性高分子)
疏水性高分子为含羧基的壳聚糖。
(有机溶剂)
在步骤(1)和步骤(2)中，有机溶剂选自四氢呋喃(THF)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、二氯甲烷(DCM)、甲苯、丙酮和二甲基亚砜(DMSO)中的任意一种或几种。
(含疏水性高分子的链段与抗菌肽)
在步骤(2)中，含疏水性高分子的链段与抗菌肽的摩尔比为1:(1-100)，优选为1:100，更优选为1:10。
在步骤(1)中，反应的温度可以为-10-60℃，优选为25℃；反应的时间可以为1-24h，优选为8h。
在步骤(2)中，反应的温度为-10-60℃，优选为25℃；反应的时间可以为1-24h，优选为8h。
<含抗菌肽的两亲性接枝共聚物的用途>
本发明的含抗菌肽的两亲性接枝共聚物可以作为抗菌剂在临床抗感染、抗癌药物靶向释放或纳米医学等方面得以应用。
本发明的含抗菌肽的两亲性接枝共聚物也可以作为药物载体在临床抗感染、抗癌药物靶向释放或纳米医学等方面得以应用。
实际上，本发明选用含羧基的壳聚糖和天然或人工合成的抗菌肽通过反应制备得到上述含抗菌肽的两亲性接枝共聚物。其中，亲水抗菌肽链段带有大量正电荷，与带负电荷的细菌磷脂双分子层产生静电作用来吸附在细胞膜上，同时疏水性高分子(壳聚糖)链段插入磷脂双分子层内，破坏细胞膜的完整性从而达到杀菌抑菌的目的，由于壳聚糖是天然提取得到的生物相容性良好且生物可降解性优良的高分子，其比含有苯环等结构的疏水性氨基酸链段毒性低。因此，本发明制备的上述含抗菌肽的两亲性接枝共聚物无细胞毒性、生物相容性良好且生物可降解性良好，作为抗菌剂或药物载体在临床抗感染、抗癌药物靶向释放或纳米医学等方面都具有广泛的应用前景。
以下结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：
本实施例的含ε-聚赖氨酸的两亲性接枝共聚物Chitosan-EPL的制备方法包括如下步骤：
(1)将200mg含羧基的壳聚糖溶于10mL四氢呋喃中，并置于冰水浴中。将5mg DCC和3.1mg HOSu(取DCC物质的量的1.1倍)，溶于5mL四氢呋喃内，随后在30min内逐滴滴入含壳聚糖的四氢呋喃溶液中。撤去冰水浴，室温25℃下搅拌反应8h。反应结束后将产物洗涤、沉淀、干燥，得到羧基被活化的壳聚糖，其结构式为：
其中，n代表羧基被活化的壳聚糖的聚合度；
(2)将1.0gε-聚赖氨酸(EPL)加入200mg羧基被活化的壳聚糖溶液中，加入适量四氢呋喃中使其充分溶解，并调节体系pH值，25℃下搅拌反应8h。反应结束后旋转蒸发除去溶剂，加入丙酮并搅拌除去杂质，随后过滤收集固体，蒸发除去丙酮后加入去离子水，搅拌使其充分溶解。在去离子水中透析48h，期间每2h换一次水，随后在60℃下旋转蒸发除去水，即可得到含ε-聚赖氨酸的两亲性接枝共聚物Chitosan-EPL，其结构式为：
其中，n选自1-50中的整数，m选自大于50的整数，ran表示无规共聚的链段。
实际上，在步骤(1)中，反应的温度在-10-60℃之内、反应的时间在1-24h之内均是可以的。
在步骤(2)中，反应的温度在-10-60℃之内、反应的时间在1-24h之内均是可以的。
实施例2：
本实施例的含蜂毒素的两亲性接枝共聚物Chitosan-melittin的制备方法包括如下步骤：
(1)将200mg含羧基的壳聚糖溶于10mL四氢呋喃中，并置于冰水浴中。将5mg DCC和3.1mg HOSu(取DCC物质的量的1.1倍)，溶于5mL四氢呋喃，随后在30min内逐滴滴入含壳聚糖的四氢呋喃溶液中。撤去冰水浴，室温25℃下搅拌反应8h。反应结束后将产物洗涤、沉淀、干燥，得到羧基被活化的壳聚糖，其结构式为：
其中，n代表羧基被活化的壳聚糖的聚合度；
(2)将10mg蜂毒素(melittin)加入200mg羧基被活化的壳聚糖溶液中，加入适量四氢呋喃中使其充分溶解，并调节体系pH值，25℃下搅拌反应8h。反应结束后旋转蒸发除去溶剂，加入丙酮并搅拌除去杂质，随后过滤收集固体，蒸发除去丙酮后加入去离子水，搅拌使其充分溶解。在去离子水中透析48h，期间每2h换一次水，随后在60℃下旋转蒸发除去水，即可得到含蜂毒素的两亲性接枝共聚物Chitosan-melittin，其结构式为：
其中，n选自1-50中的整数，m选自大于50的整数，ran表示无规共聚的链段。
实施例3：
本实施例的含LL-37的两亲性接枝共聚物Chitosan-(LL-37)的制备方法包括如下步骤：
(1)将200mg含羧基的壳聚糖溶于10mL四氢呋喃中，并置于冰水浴中。将5mg DCC和3.1mg HOSu(取DCC物质的量的1.1倍)，溶于5mL四氢呋喃内，随后在30min内逐滴滴入含壳聚糖的四氢呋喃溶液中。撤去冰水浴，室温25℃下搅拌反应8h。反应结束后将产物洗涤、沉淀、干燥，得到羧基被活化的壳聚糖，其结构式为：
其中，n代表羧基被活化的壳聚糖的聚合度；
(2)将50mg LL-37加入200mg羧基被活化的壳聚糖溶液中，加入适量四氢呋喃中使其充分溶解，并调节体系pH，25℃下搅拌反应8h。反应结束后旋转蒸发除去溶剂，加入丙酮并搅拌除去杂质，随后过滤收集固体，蒸发除去丙酮后加入去离子水，搅拌使其充分溶解。在去离子水中透析48h，期间每2h换一次水，随后在60℃下旋转蒸发除去水，即可得到含LL-37的两亲性接枝共聚物Chitosan-(LL-37)，其结构式为：
其中，n选自1-50中的整数，m选自大于50的整数，ran表示无规共聚的链段。
<实验>
以上述实施例的生物相容性良好的含抗菌肽的两亲性接枝共聚物作为产品进行如下实验。
本实验是为了验证生物相容性良好的含抗菌肽的两亲性接枝共聚物(Chitosan-EPL，Chitosan-melittin与Chitosan-(LL-37))在革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌)和革兰氏阴性菌(大肠杆菌)中的抗菌性能。
其中，最小抑菌浓度(MIC)是评估抗菌剂抗菌性能的重要参数。本实验分别使用革兰氏阴性菌(大肠杆菌)和革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌)来测定生物相容性良好的含抗菌肽的两亲性接枝共聚物的抗菌性能。
实验步骤如下：
(1)分别取1mL活化好的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，用生理盐水除去LB肉骨头汤，并将大肠杆菌的菌种和金黄色葡萄球菌的菌种分别加入在1mL生理盐水中混合均匀，为方便涂板时的菌落计数，将细菌液用十倍稀释法稀释105倍；
(2)配置浓度为1000μg/mL的两亲性接枝共聚物溶液，用对半稀释法得到不同浓度的两亲性接枝共聚物溶液，浓度依次为1000μg/mL、500μg/mL、250μg/mL、125μg/mL、64μg/mL、32μg/mL、16μg/m、8μg/mL、4μg/mL；各取100μL置于1mL离心管中；
(3)向步骤(2)中每一个离心管中加入100μL稀释后的细菌液(大肠杆菌或金黄色葡萄球菌)，两亲性接枝共聚物浓度变为500μg/mL、250μg/mL、125μg/mL、64μg/mL、32μg/mL、16μg/mL、8μg/mL、4μg/mL、2μg/mL，在37℃的恒温条件下培养2h，同样条件培养未加入两亲性接枝共聚物的纯细菌作为对照样；
(4)在培养皿中加入100μL不同浓度的混合液，加入温热的10mL琼脂溶液，摇晃均匀后待琼脂凝固将培养皿倒扣，置于37℃恒温条件下培养18h后进行菌落计数，观察抑制细菌生长的最低接枝共聚物浓度。
通过上述实验，得到如下实验结果：
两亲性接枝共聚物Chitosan-EPL与大肠杆菌作用(实验组)后，相比于未加入两亲性接枝共聚物Chitosan-EPL的纯大肠杆菌(对照组)的菌落密集程度得到降低，说明两亲性接枝共聚物Chitosan-EPL能够有效抑制大肠杆菌的生长。在有效的抑菌浓度范围内，随着两亲性接枝共聚物Chitosan-EPL的浓度增加，实验组培养皿内菌落数明显减少。
两亲性接枝共聚物Chitosan-melittin与金黄色葡萄球菌作用(实验组)后，相比于未加入两亲性接枝共聚物Chitosan-melittin的纯金黄色葡萄球菌(对照组)的菌落密集程度得到降低，说明两亲性接枝共聚物Chitosan-melittin能够有效抑制金黄色葡萄球菌的生长。在有效的抑菌浓度范围内，随着两亲性接枝共聚物Chitosan-melittin的浓度增加，实验组培养皿内菌落数明显减少。
两亲性接枝共聚物Chitosan-(LL-37)与大肠杆菌作用(实验组)后，相比于未加入两亲性接枝共聚物Chitosan-(LL-37)的纯大肠杆菌(对照组)的菌落密集程度得到降低，说明两亲性接枝共聚物Chitosan-(LL-37)能够有效抑制大肠杆菌的生长。在有效的抑菌浓度范围内，随着两亲性接枝共聚物Chitosan-(LL-37)的浓度增加，实验组培养皿内菌落数明显减少。
由抗菌性实验中可以看出，本发明制备的生物相容性良好的含抗菌肽的两亲性接枝共聚物(Chitosan-EPL，Chitosan-melittin与Chitosan-(LL-37))具有优异的抑菌杀菌效果，且对大肠杆菌(革兰氏阴性菌)以及金黄色葡萄球菌(革兰氏阳性菌)均具有良好的抗菌效果，因此，本发明制备的生物相容性良好的含抗菌肽的两亲性接枝共聚物具有优异的广谱抗菌性能。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种含抗菌肽的两亲性接枝共聚物，其特征在于：其结构式如下：
其中，n选自1-50中的整数，m选自大于50的整数，n和m分别代表各疏水性高分子的链段的聚合度，ran表示无规共聚的链段，Pep表示抗菌肽。
2.根据权利要求1所述的含抗菌肽的两亲性接枝共聚物，其特征在于：所述抗菌肽选自蜂毒素、ε-聚赖氨酸、LL-37、杆菌肽和天蚕素中的一种以上；和/或，
所述疏水性高分子为含羧基的壳聚糖。
3.一种根据权利要求1或2所述的含抗菌肽的两亲性接枝共聚物的制备方法，其特征在于：其包括如下步骤：
(1)、将疏水性高分子、N,N’-二环己基碳二亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺在有机溶剂内反应，得到含疏水性高分子的链段，其结构式为：
其中，n代表含疏水性高分子的链段的聚合度；
(2)、将所述含疏水性高分子的链段溶于有机溶剂内，并加入抗菌肽进行反应，经洗涤、沉淀、干燥后，得到含抗菌肽的两亲性接枝共聚物，其结构式为：
其中，n选自1-50中的整数，m选自大于50的整数，n和m分别代表各疏水性高分子的链段的聚合度，ran表示无规共聚的链段，Pep表示抗菌肽。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述抗菌肽选自蜂毒素、ε-聚赖氨酸、LL-37、杆菌肽和天蚕素中的一种以上。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述疏水性高分子为含羧基的壳聚糖。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)和步骤(2)中，所述有机溶剂选自四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、二氯甲烷、甲苯、丙酮和二甲基亚砜中的任意一种或几种。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述含疏水性高分子的链段与所述抗菌肽的摩尔比为1:(1-100)。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)的反应的温度为-10-60℃，反应的时间为1-24h。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)的反应的温度为-10-60℃，反应的时间为1-24h。
10.一种如权利要求1或2所述的含抗菌肽的两亲性接枝共聚物作为抗菌剂或药物载体在临床抗感染、抗癌药物靶向释放或纳米医学方面中的应用。
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