CN110621286A - 生态友好型破坏生物膜的抗微生物制剂、其开发及用途 - Google Patents

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Abstract

一种皮肤护理、伤口护理或口腔护理装置，包括稳定化到可聚合物质中的精油。

Description

生态友好型破坏生物膜的抗微生物制剂、其开发及用途
背景技术
本公开涉及抗微生物制剂。
目前在伤口护理、皮肤、化妆品和口腔护理行业中使用的许多抗微生物制剂包括对环境有毒的、不是定向广谱的且在欧盟和美国食品和药物管理局(FDA)范围内处于长期存疑状态的抗微生物物质。
在口腔护理和皮肤行业中，常见的抗微生物成分之一是三氯生(5-氯-2-(2,4-二氯苯氧基)苯酚)。三氯生目前用于各种消费品，包括牙膏、肥皂、除臭剂、织物和玩具中。三氯生是适度的抗菌剂，其微生物抑制浓度(MIC)为125μg/ml，但由于其对水生动物和植物物种(包括但不限于藻类、鱼类、海胆类和其他无脊椎动物)的高毒性而使其在对环境的潜在负面影响存在严重问题。根据美国环境保护局主办的生态毒理学数据库(ECOTOX)，三氯生有513条对水生环境不安全的记录。虽然对人类相对安全，但该化合物在小鼠中的LD50为1.5mg/天。
在伤口、皮肤以及较小程度上的口腔护理行业中，银是常用的抗微生物剂。银制剂是用于先进的伤口敷料和用于易于感染的慢性伤口(糖尿病足溃疡、静脉性腿部溃疡和压力性溃疡)的漂洗溶液中的主要抗微生物剂。银有多种化学形式，包括但不限于氯化银(AgCl2)、磺胺嘧啶银(C10H9AgN4O2S)、硝酸银(AgNO3)和几种形式的纳米结晶银。银具有7.5μg/ml的可观MIC，但可能导致皮肤和眼睛变色。与三氯生不同，在ECOTOX数据库有5266条记录为人们担心银的抗性并严重担忧银对水生生物不友好。欧洲的许多国家已经在先进的伤口护理中减少了银的使用，并且趋势是要么开发能够去除细菌生物膜的阳性(passive)材料，要么寻找对环境安全的新型广谱抗菌药物。
发明内容
在此，我们报道了生态友好型抗微生物制剂的开发，其已被优化为破坏细菌生物膜并且对人类使用和环境是安全的。
抗微生物化合物能够比纳米晶体银更好地破坏细菌生物膜，而且更环保且对人类使用是安全的。体外研究表明，这些化合物具有双重作用，即具有清新的清洁气味，同时对皮肤、伤口和口腔护理中常见的细菌生物膜具有高度选择性。我们已经将这些生态友好型抗微生物剂开发成纳米晶颗粒和微晶颗粒，其可以延长释放长达30天。肉桂、柠檬草和较小程度上的薄荷的这些新型微晶制剂是高效的广谱抗微生物剂，可减少皮肤、伤口和口腔感染中的细菌生物膜，同时减少不需要的气味。
基于从研究论文和专利数据库中的抗微生物化合物的详尽文献检索，我们开发了一份超过48种潜在抗微生物化合物的清单，这些化合物用于皮肤护理、伤口、口腔护理和化妆品中。已经显示这些化合物中的每一种都是抗微生物的，但是它们中的许多对于多种细菌物种具有有限的效力并且是非生态友好的。该清单包括：1)QAC(苯扎氯铵)，2)PHMB，3)羧甲基壳聚糖，4)月桂基精氨酸乙酯，5)过氧化氢，6)荷荷巴油，7)柠檬草(橙花醇、香叶醛和香叶醇)，8)木兰醇，9)麦卢卡蜂蜜，10)奥替尼啶，11)蒌叶(胡椒叶)，12)抗菌肽-鞘翅肽(attacin-coleoptericin)，13)月桂酸，14)聚己缩胍，15)氯化十六烷基吡啶，16)葡萄糖酸氯己定，17)肉桂，18)薄荷油，19)聚DADMAC，20)多粘菌素B硫酸盐，21)芦荟苦素(aloesin)，23)香菜，24)孜然油，25)薄荷，26)芥子油，27)银，28)沸石，银，29)抗坏血酸磷酸锌，30)过氧化苯甲酰，31)大蒜素(大蒜)，32)百里香酚，33)氧化锌和壳聚糖，34)椰子油，35)金缕梅，36)二氧化氯，37)次氯酸，38)水杨酸甲酯(冬绿油)，39)对羟基苯甲酸甲酯，40)PVP碘，41)血根碱，42)硒，43)氧化锌，44)壳聚糖，45)三氯生，46)仙茅(curculigo orchioides)(金眼草)，47)硝基取代的水杨酸，和48)羟烷基马来酰亚胺。
这些化合物中的许多具有存疑或未表征的广谱抗微生物活性，对人类不安全，和/或不是环境友好的。
SAS是用于药物制剂的多变量分析的强大软件包，并且可以提供对探索性数据分析(EDA)的强有力的见解，这导致我们发现了新型生态友好型抗微生物制剂。
我们使用多变量分析方法SAS软件来分析上面列出的前48种抗微生物化合物，以基于国家健康研究所(NIH)有害物质数据库的毒理学数据网络(Toxnet HSDB)将它们的抗菌活性与人类安全性进行比较，基于ECOTOX和与生态友好性进行比较，以及基于欧盟指令(ECHA第95条和附件95)与欧盟关于抗微生物剂的可接受使用的意见进行比较。
以下提及的所有实例和特征可以以任何技术上可能的方式组合。
在一个方面中，皮肤护理、伤口护理或口腔护理装置包括稳定化到可聚合物质中的精油。稳定化可包括但不限于：结晶，紧密封装，有序化，冷凝，浓缩，沉淀和饱和；以下给出非限制性实例。精油在被稳定化到可聚合物质中之前可以被微晶化的或微囊化。精油可以被微囊化到果胶中。微囊化可以在1-10％的果胶溶液中进行。可聚合物质可包含海藻酸盐聚合物。可聚合物质可包含聚氨酯泡沫。可聚合物质可包含纤维素。纤维素可包含纳米晶纤维素颗粒或微晶纤维素颗粒。
可聚合物质可包括微米纤维素、纳米纤维素、海藻酸盐、聚氨酯、胶原、透明质酸、PEG、聚氧硅烷或聚氧硅烷丙烯酸聚合物。精油可以混合到聚合物材料中，所述聚合物材料包括聚氧硅烷、丙烯酸、尼龙、聚乳酸、聚乙烯、聚丙烯、特氟隆、聚苯乙烯、聚氨酯、海藻酸盐、PET或PEEK。口腔护理装置可包括漂洗剂、漱口水、牙线、或牙刷、或牙膏。伤口护理装置可包括漂洗剂、凝胶、泡沫、伤口敷料、缝合线、缝合钉(staple)、或擦拭物。皮肤护理装置可以是漂洗剂、洗发剂、擦拭物或面膜。精油可抑制龋齿、口臭、牙龈炎或牙周病。精油可抑制痤疮、头皮屑、牛皮癣、体臭和脚癣。
具体实施方式
对于SAS分析，我们基于Toxnet HSDB数据库对人体安全性进行了评级。我们使用以下等级尺度对安全性进行排序：5)安全，4)轻微刺激，3)中度，2)高风险，1)不可接受，和“ND”未确定。约20％的化合物因包括皮肤刺激、喉部和肺部刺激、心房纤颤、肌肉疼痛、清凉感和烧灼感的急性重大毒性而对人身安全具有很高的风险。
抗微生物剂的MIC来自文献综述以及我们实验室中的五种主要口腔护理和五种主要伤口护理病原体的体外研究。在文献中通常仅测试一种细菌，因此难以确定靶标是否是广谱抗微生物剂。所测试的口腔护理病原体包括：核梭状芽孢杆菌(Fusobacteriumnucleatum ss vincentii)，牙龈卟啉单胞菌(Porphyromonas gingivalis)，中间普氏菌(Prevotella intermedia)，放线菌聚集杆菌(Aggregatibacter actinomycetemcomitans)和变形链球菌(Streptococcus mutans)。伤口护理病原体包括：铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)，化脓性链球菌(Streptococcus pyogenes)，金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)，粪肠球菌(Enterococcus faecalis)和奇异变形杆菌(Proteusmirabilis)。对于SAS分析，抗微生物评分使用以下等级尺度基于以μg/ml为单位的MIC：5)1-10μg/ml，4)11-25μg/ml，3)26-50μg/ml，2)51-100μg/ml，1)>101，和ND未确定。
生态友好性等级基于来自ECOTOX数据库的参考文献的数量。评分使用以下等级尺度：5)对水生和陆生生物没有毒性，4)1-10结果记录，3)11-25，2)26-50，1)>51，和ND未确定。常用的化合物如三氯生和银被赋予不可接受的生态友好评分1。其他精油如肉桂、胡椒、木兰和柠檬草是非常生态友好的，但令人惊讶地具有完全可接受的MIC。
由于欧盟似乎在检查抗微生物制剂的安全性方面比美国更严格，因此我们想要检查这些化合物中的任意化合物是否列于ECHA第95条和附件95指令中。如果它们被列为可接受使用，则我们将这些化合物评分为5)，如果它们未被列出或被确定为不可接受则评分为3)。
基于使用SAS对抗微生物靶标的多变量分析，我们能够基于五个变量(如上所述的，抗微生物活性、环境友好性、安全性、ECHA批准和附件5批准)的总组合得分来分离靶标。最高得分(最理想的)靶标包括：QAC(苯扎氯铵)、PHMB、羧甲基壳聚糖、月桂基精氨酸乙酯、过氧化氢、荷荷巴油、柠檬草(橙花醇、香叶醛和香叶醇)、木兰醇、麦卢卡蜂蜜、奥替尼定、蒌叶(胡椒叶)、抗菌肽-鞘翅肽、月桂酸、聚己缩胍、氯化十六烷基吡啶、葡萄糖酸氯己定、肉桂、薄荷油、聚DADMAC和多粘菌素B硫酸盐。
相反，具有最低组合分数的靶标被认为是最不理想的。最不理想的靶标包括：百里香酚、氧化锌和壳聚糖、椰子油、纳米银、金缕梅、二氧化氯、次氯酸、水杨酸甲酯(冬绿油)、对羟基苯甲酸甲酯、PVP碘、血根碱、硒、氧化锌纳米颗粒、壳聚糖、三氯生、仙茅(金眼草)、硝基取代的水杨酸和羟烷基马来酰亚胺。
广谱
为了直接比较从上述JMP SAS多变量分析获得的最有潜力的生态友好型抗微生物候选物，我们使用银作为阳性对照，检查了这些化合物中的一些(芦荟苦素、吡啶硫酮锌、肉桂、柠檬草、麦卢卡蜂蜜、胡椒薄荷、荷荷巴油)如何抵御常见的口腔护理和伤口护理病原体。银是广谱的，使具有浮游细菌和细菌生物膜的大多数细菌性病原体的对数减少5倍。如果想要生态友好的抗微生物剂具有任何实用性，则其需要能够比银在杀死常见的口腔护理和伤口护理病原体方面更有效。我们的体外数据表明，只有三种化合物具有比银更好的广谱抗微生物活性：肉桂、柠檬草和吡啶硫酮锌。据报道，诸如荷荷巴、麦卢卡蜂蜜和芦荟苦素的化合物具有抗微生物活性，但在我们的独立研究中，我们发现这些化合物不如银，因此被排除在进一步考虑之外。吡啶硫酮锌通常用作抗菌剂和抗真菌剂，对人类使用是安全的，并且是头皮屑洗发剂中的常见成分。然而，我们没有进一步考虑吡啶硫酮锌，是因为根据生态毒理学数据库中的151个参考文献，它的生态毒理学评分相当差，只有1(参见我们上面的评分系统)。
肉桂和柠檬草的精油可以加入医疗器械(口腔、皮肤或伤口护理)而无需进一步改变。肉桂和柠檬草的精油也可以单独微晶化或与聚合物载体(例如微海藻酸盐、微纤维素、水凝胶、果胶或胶原蛋白)组合微囊化以形成能够具有长达30天的抗微生物剂延长释放的组合产品。
这些生态友好型抗微生物剂(肉桂和柠檬草)的结晶和包封可导致长达30天的抗微生物剂延长释放。
精油的微晶化
精油的结晶可以类似于为蛋白质和DNA分子提供的方法进行，如Landau等人(1997)描述的使用用于疏水性蛋白质的试剂进行修饰以促进精油的成核。成核剂包括洗涤剂、沉淀剂和其他添加剂。精油微晶化中使用的洗涤剂包括但不限于结晶基质中浓度为0.1-10％的非离子洗涤剂，如HECAMEG、CHAPS、MEGA 8、MEGA 10，以及吐温20和吐温80。用于加速结晶的盐包括10mM至0.5M硫酸铵。
微囊化
如下所述，肉桂和柠檬草的精油被微囊化到1-4％果胶中。将25ml的1-10％果胶溶液煮沸1-2分钟以溶解果胶颗粒，然后在使用前冷却至室温(25℃)。然后将1ml精油与25ml室温的果胶混合，然后将溶液涡旋30秒以使生态友好型抗微生物剂包封入果胶壳中。在包封的肉桂油中，存在大的果胶球，并且在为生态友好型抗微生物剂的大球内有少量(1-3个)包埋的小球。静置10-30分钟后，果胶包封的油可以通过移液除去底层而与剩余的混合物分离。
然后微囊化的果胶可以进一步被聚合到聚合物结构例如海藻酸盐、聚氧硅烷、胶原、水凝胶或聚氨酯中，以产生抗微生物伤口敷料。
海藻酸盐伤口敷料
将海藻酸钠溶解在蒸馏水中以产生浓度为0.5-4％的海藻酸盐溶液。在使用前将溶液静置至少24小时以使气泡脱离。然后，通过涡旋30秒将海藻酸钠溶液(30-100ml)和果胶包封的生态友好型抗微生物剂(1-10ml)均质化，然后分层到用4％氯化钙饱和的载体绷带上以将抗微生物剂聚合到海藻酸盐聚合物中。4小时后，海藻酸盐敷料完全聚合并可密封在透明塑料袋中以保持海藻酸盐敷料的水分，海藻酸盐敷料可通过γ或环氧乙烷或E光束进行灭菌处理。
聚氨酯泡沫伤口敷料
或者，可以在如下所述的固化过程中将生态友好型抗微生物剂聚合到聚氨酯泡沫敷料中。简而言之，将1.6ml的A部分聚氨酯与1.2ml的B部分聚氨酯、5-100μl的硅烷(以促进聚氨酯中的开孔形成)和10-100μl的果胶包封的精油混合，然后快速移液到敷料模具中以使过夜固化。在优选的实施方案中，所用的硅烷是N-(2-氨乙基)-3-氨丙基硅烷。然而，其他硅烷或洗涤剂可用于在聚氨酯中制备开孔结构。
微囊化到纤维素中
聚合物微载体的另一个实例是使用微晶纤维素和纳米晶纤维素。通过Ahmadi等人(2014)的方法，通过改进的酸水解方法制备微晶纤维素颗粒和纳米晶纤维素颗粒。为了制备纳米晶纤维素颗粒，将2g切割的滤纸用1M硫酸或盐酸在45℃下在200rpm的连续搅拌下水解75分钟。将纤维素水解产物以16000×g离心10分钟，并用等体积的1M NaOH中和沉淀物。用蒸馏水漂洗沉淀物5次，然后用0.1-10％精油装载。为了形成微晶颗粒，如上所述，将纤维素酸洗仅5分钟，然后用NaOH中和，漂洗，并装载精油。在一些情况下，将微晶和纳米晶装载的肉桂和柠檬草与1-10mM氯化钙(CaCl2)交联10分钟至2小时。交联使生态友好型抗微生物剂的延长释放特性提高长达30天。
或者，抗微生物剂可聚合到其他聚合物物质中以产生抗微生物装置组合产品。聚合物材料的其他实例包括但不限于丙烯酸、尼龙、聚乳酸、聚乙烯、聚丙烯、特氟隆、聚苯乙烯、聚氨酯、海藻酸盐、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚醚醚酮(PEEK)和2,2'-连氮基双-(3-乙基苯并噻唑啉)磺酸(ABTS)。一个实例是将生态友好型抗微生物剂共聚到牙刷的刷毛中，用于延长抗微生物剂的释放，以抑制牙龈炎、龋齿和牙周病。
在另一个实施方案中，将生态友好型抗微生物剂聚合到用于口腔护理、伤口护理或皮肤护理的医疗装置中。用于伤口护理的许多粘合剂包括聚氧硅烷、丙烯酸或其组合。我们在固化过程中将肉桂和柠檬草油共聚到聚氧硅烷中。简而言之，将肉桂与聚氧硅烷以终浓度为1-50％混合，然后倒入模具中，在室温下固化过夜。或者，可以用高强度UV光在几分钟内固化聚氧硅烷。
我们的发现表明，基于对金黄色葡萄球菌和白色念珠菌的抑制区研究，海藻酸盐可更好地洗脱抗微生物剂。简而言之，将107个菌落形成单位(CFU)的金黄色葡萄球菌或107个CFU的白色念珠菌铺板在血琼脂平板上，将用1％-4％的肉桂或柠檬草浸渍的小的10mm聚合物材料(海藻酸盐)置于平板顶部，将平板在37℃下温育过夜。在早晨，观察板的从聚合物材料中浸出的生态友好型抗微生物的抑制区。肉桂和柠檬草对于白色念珠菌的抑制区(ZOI)是相似的(～10至12mm)，但对于金黄色葡萄球菌，柠檬草优于肉桂，具有20mm的更大的ZOI，而肉桂则为10mm。
紫外光可固化的水凝胶中的聚合
在另一个实施方案中，肉桂或柠檬草的精油单独或与芦荟1：1混合，然后与预先混合的硫醇修饰的透明质酸和与PEG nonborene(三季戊四醇)交联的明胶组合混合，然后用365nm光源交联30分钟。液体水凝胶可以在模具中铸型或在具有细孔管尖的注射器中3D打印，然后在层中进行UV固化以提供可以将渗出物从伤口床吸走的网状模式。
牙膏和漱口水
牙膏和漱口水具有许多常见成分，包括抗微生物剂、研磨剂、去污剂、矫味剂和保湿剂。表1和表2示出了一些常见牙膏和漱口水成分的最小和最大成分浓度范围，这些成分可以但不一定在我们的制剂中。此外，这些范围是说明性的，而不是对制剂的限制。在本发明中，使用足以具有抗微生物活性(浓度为约0.001％至约0.1％)的肉桂和柠檬草的活性浓度；精油并不像其在其他产品中作为次要的调味剂那样仅仅以很低的浓度使用。每个表中还列出了一些不太常见的成分。
表1列出了具有生态友好成分的牙膏的配方。我们使用Jump SAS(审阅专利和商业产品信息)来绘制主要牙膏成分的浓度范围。主要成分如表1所示。其他不太常见的成分包括：磷酸、脱水山梨糖醇单异硬脂酸酯、胶体二氧化硅、锶EDTA、白垩、PEG 32、VEEGUM HV、TSPP、TMP、二氧化硅zeodent、70PVP/VA、PEG 6、碳酸氢钠、Polyaxamer 47、三聚磷酸钠、过氧化脲、Tecosil、过氧化氢(H2O2)、Permulen、TR2、椰酰胺-六偏磷酸酯(Cocoamido-Haxametaphosphate)、十六烷醇和十八烷醇。
表1
表2列出了用于生态友好型漱口水或漂洗剂的配方。我们使用Jump SAS(审阅专利和商业产品信息)来绘制主要漱口水成分的浓度范围。主要成分如表2所示。其他不太常见的成分包括：氯化锌、柠檬酸锌、磷酸钠、醋酸锌、乳酸锌、水杨酸锌、硫酸锌、氧化锌、葡萄糖酸锌、POE(20)、POE(40)、POE(60)、薄荷醇、普朗尼克F108、乳糖二岩藻四糖(lactodifucotetraraose)、过氧化脲、酒石酸锌、葡萄糖酸氯己定、葡萄糖酸内酯、吐温80、普朗尼克F-127、氯化十六烷基吡啶、异丙醇、丙二醇、黄原胶、氯化苯甲酰、克列莫佛(cremopher)RH60、叶绿素、椰油酰胺丙基甜菜碱、NHDC、普朗尼克F-127 2、薄荷油、四乙酸、丁基化羟基苯甲醚、对羟基苯甲酸丙酯和PEG 40。
表2
已经描述了许多实施方案。然而，应当理解，在不脱离本文描述的本发明构思的范围的情况下，可以进行另外的修改，因此，其他实施例也在所附权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种皮肤护理、伤口护理或口腔护理装置，包括稳定化到可聚合物质中的精油。
2.根据权利要求1所述的皮肤护理、伤口护理或口腔护理装置，其中所述精油在稳定化到所述可聚合物质中之前被微结晶或微囊化。
3.根据权利要求2所述的皮肤护理、伤口护理或口腔护理装置，其中所述精油被微囊化到果胶中。
4.根据权利要求3所述的皮肤护理、伤口护理或口腔护理装置，其中所述微囊化在1-10％果胶溶液中进行。
5.根据权利要求3所述的皮肤护理、伤口护理或口腔护理装置，其中所述可聚合物质包括海藻酸盐聚合物。
6.根据权利要求3所述的皮肤护理、伤口护理或口腔护理装置，其中所述可聚合物质包括聚氨酯泡沫。
7.根据权利要求1所述的皮肤护理、伤口护理或口腔护理装置，其中所述可聚合物质包括纤维素。
8.根据权利要求7所述的皮肤护理、伤口护理或口腔护理装置，其中所述纤维素包括纳米晶纤维素颗粒或微晶纤维素颗粒。
9.根据权利要求1所述的皮肤护理、伤口护理或口腔护理装置，其中所述可聚合物质包括微米纤维素、纳米纤维素、海藻酸盐、聚氨酯、胶原、透明质酸、PEG、聚氧硅烷或聚氧硅烷丙烯酸聚合物。
10.根据权利要求1所述的皮肤护理、伤口护理或口腔护理装置，其中所述精油混合到聚合物材料中，所述聚合物材料包括聚氧硅烷、丙烯酸、尼龙、聚乳酸、聚乙烯、聚丙烯、特氟隆、聚苯乙烯、聚氨酯、海藻酸盐、PET或PEEK。
11.根据权利要求1所述的皮肤护理、伤口护理或口腔护理装置，其中所述口腔护理装置包括漂洗剂、漱口水、牙线、或牙刷、或牙膏。
12.根据权利要求1所述的皮肤护理、伤口护理或口腔护理装置，其中所述伤口护理装置包括漂洗剂、凝胶、泡沫、伤口敷料、缝合线、缝合钉或擦拭物。
13.根据权利要求1所述的皮肤护理、伤口护理或口腔护理装置，其中所述皮肤护理装置是漂洗剂、洗发剂、擦拭物或面膜。
14.根据权利要求1所述的皮肤护理、伤口护理或口腔护理装置，其中所述精油抑制龋齿、口臭、牙龈炎或牙周病。
15.根据权利要求1所述的皮肤护理、伤口护理或口腔护理装置，其中所述精油抑制痤疮、头皮屑、牛皮癣、体臭和脚癣。
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