CN111084929A - 一种抗细菌生物膜复合微针及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抗细菌生物膜复合微针及其应用。该微针的制备方法包括以下步骤：S1.将壳聚糖和硝酸锌溶于水中，真空除泡，得到壳聚糖硝酸锌复合溶液；S2.将步骤S1得到的壳聚糖硝酸锌复合溶液涂铺于PDMS微针模具上，填充，干燥，剥离，即得所述抗细菌生物膜复合微针。该微针能够刺穿细菌生物膜，促进具有抗细菌性能的壳聚糖和Zn2+输送至细菌生物膜内，显著地提高了壳聚糖和Zn2+抗细菌生物膜的性能，有效地清除了细菌生物膜，进而促进了慢性难愈合伤口的快速愈合；另外，该微针的制备方法简单，成本低，原料来源丰富，安全性高，因此，该微针在清除细菌生物膜或制备细菌生物膜清除剂，以及制备慢性难愈合伤口修复材料中具有广泛的应用前景。

Description

一种抗细菌生物膜复合微针及其应用
技术领域
本发明属于微纳制造技术领域。更具体地，涉及一种抗细菌生物膜复合微针及其应用。
背景技术
慢性伤口主要包括糖尿病足溃疡，压疮，下肢静脉溃疡和不愈合的手术部位感染，在预定的时间段内无法治愈，不仅给患者造成巨大的痛苦，而且存在面临截肢的风险。细菌生物膜是细菌及其产物、坏死组织、细胞外基质等包埋于创面形成的一种膜性结构，细菌生物膜一旦形成将极大阻碍创面愈合，已被确定为慢性伤口的主要原因，是临床治疗中一个棘手的问题。因此，及时破坏并消除创面表面的细菌生物膜对于难愈创面的治愈具有积极作用。
目前，主要的抗细菌生物膜策略可以分为全身性或局部性，多数伤口血管形成不良，这使得抗菌剂无法传递到全身性感染部位；局部方法可将抗菌素直接递送至预期部位，从而降低全身毒性，从而可避免全身给药的关键局限性。然而，常规的递送系统，例如水凝胶、软膏和乳膏，通常难以克服生物膜所构成的障碍，抗菌剂难以在细菌生物膜内传输和渗透；此外，漂白剂、外科清创术等方法也被用于治疗细菌生物膜，但是这些方法也存在治疗费用高昂，患者依从性较低，难以彻底清除细菌生物膜等缺点。因此，亟需研究开发成本低、安全性高、能够彻底清除细菌生物膜，进而有效促进慢性难愈伤口愈合的方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服细菌生物膜难以彻底清除进而导致创面难以愈合的缺陷和不足，提供一种抗细菌生物膜复合微针及其应用。
本发明的目的是提供一种抗细菌生物膜复合微针。
本发明的另一目的是提供所述微针在清除细菌生物膜或制备细菌生物膜清除剂中的应用。
本发明的再一目的是提供所述微针在制备慢性难愈合伤口修复材料中的应用。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
本发明首先提供了一种抗细菌生物膜复合微针，其制备方法包括以下步骤：
S1.将壳聚糖和硝酸锌溶于水中，真空除泡，得到壳聚糖硝酸锌复合溶液(CS-Zn(Ⅱ)溶液)；
S2.将步骤S1得到的壳聚糖硝酸锌复合溶液涂铺于PDMS微针模具上，填充，干燥，剥离，即得所述抗细菌生物膜复合微针。
优选地，步骤S1所述壳聚糖的质量、硝酸锌的质量和水的体积比为0.1～0.5：1～5：50。
更优选地，步骤S1所述壳聚糖的质量、硝酸锌的质量和水的体积比为0.3：2：50。
优选地，步骤S1所述壳聚糖的分子量＜80KDa。
当壳聚糖的分子量过高(＞80KDa)时，壳聚糖的溶解性能较差。
更优选地，步骤S1所述壳聚糖的分子量为50KDa。
优选地，步骤S2所述涂铺的用量为0.1～0.4mL/cm2。
更优选地，步骤S2所述涂铺的用量为0.2mL/cm2。
优选地，步骤S2所述填充为真空填充。
优选地，步骤S2所述真空填充的条件为：抽真空至0.04～0.08MPa，保压2～3min，放气，重复3～4次。
更优选地，步骤S2所述真空填充的条件为：抽真空至0.06MPa，保压2min，放气，重复3次。
优选地，所述微针包括微针针体和微针基底，所述微针针体包括微针针体顶部和微针针体底部。
更优选地，所述微针针体的长度为150～500μm，所述微针针体顶部的直径为100～300μm，所述微针针体底部的直径为10～50μm。
更进一步优选地，所述微针针体的长度为340μm，所述微针针体顶部的直径为250μm，所述微针针体底部的直径为25μm。
经过抗细菌生物膜实验的验证，可知本发明的抗细菌生物膜复合微针能够刺穿细菌生物膜，有效地克服了细菌生物膜对抗菌物质的阻碍作用，促进了具有抗细菌性能的壳聚糖和锌离子(Zn2+)输送至细菌生物膜内，显著地提高了壳聚糖和Zn2+抗细菌生物膜的性能，有效地清除了细菌生物膜，进而促进了慢性难愈合伤口的快速愈合；因此，以下应用均应在本发明的保护范围之内：
所述微针在清除细菌生物膜或制备细菌生物膜清除剂中的应用。
所述微针在制备慢性难愈合伤口修复材料中的应用。
优选地，所述慢性难愈合伤口为糖尿病足溃疡、压疮或下肢静脉溃疡中的任意一种或几种。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的抗细菌生物膜复合微针能够刺穿细菌生物膜，有效地克服细菌生物膜对抗菌物质的阻碍作用，促进具有抗细菌性能的壳聚糖和Zn2+输送至细菌生物膜内，显著地提高了壳聚糖和Zn2+抗细菌生物膜的性能，有效地清除了细菌生物膜，进而促进了慢性难愈合伤口的快速愈合；
另外，该微针的制备方法简单，成本低，制备微针的原料壳聚糖和硝酸锌均具有良好的广谱性和生物相容性，原料来源丰富，安全性高，微针刺入皮肤后可生物降解，不会在体内遗留微针残留物，无毒副作用；因此，该微针在清除细菌生物膜或制备细菌生物膜清除剂，以及制备慢性难愈合伤口修复材料中具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明抗细菌生物膜复合微针的示意图；其中，1代表微针针体，10代表微针针体顶部，11代表微针针体底部；2代表微针基底。
图2是本发明微针的抗细菌生物膜性能测定结果。
具体实施方式
以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
实施例1抗细菌生物膜复合微针
一种抗细菌生物膜复合微针，其制备方法包括以下步骤：
S1.将分子量为50KDa的壳聚糖和硝酸锌溶于水中(壳聚糖的质量、硝酸锌的质量和水的体积比为0.3：2：50)，真空除泡，得到壳聚糖硝酸锌复合溶液；
S2.将步骤S1得到的壳聚糖硝酸锌复合溶液以用量为0.2mL/cm2涂铺于PDMS微针模具上，抽真空至0.06MPa，保压2min，放气，重复3次，干燥，剥离，即得所述抗细菌生物膜复合微针；其中，所述微针针体的长度为340μm，所述微针针体顶部的直径为250μm，所述微针针体底部的直径为25μm。
本发明抗细菌生物膜复合微针的示意图如图1所示。
实施例2细菌生物膜复合微针
一种抗细菌生物膜复合微针，其制备方法包括以下步骤：
S1.将分子量为10KDa的壳聚糖和硝酸锌溶于水中(壳聚糖的质量、硝酸锌的质量和水的体积比为0.1：1：50)，真空除泡，得到壳聚糖硝酸锌复合溶液；
S2.将步骤S1得到的壳聚糖硝酸锌复合溶液以用量为0.1mL/cm2涂铺于PDMS微针模具上，抽真空至0.04MPa，保压3min，放气，重复4次，干燥，剥离，即得所述抗细菌生物膜复合微针；其中，所述微针的长度为150μm，所述微针针体顶部的直径为100μm，所述微针针体底部的直径为10μm。
实施例3细菌生物膜复合微针
一种抗细菌生物膜复合微针，其制备方法包括以下步骤：
S1.将分子量为80KDa的壳聚糖和硝酸锌溶于水中(壳聚糖的质量、硝酸锌的质量和水的体积比为0.1：1：10)，真空除泡，得到壳聚糖硝酸锌复合溶液；
S2.将步骤S1得到的壳聚糖硝酸锌复合溶液以用量为0.4mL/cm2涂铺于PDMS微针模具上，抽真空至0.08MPa，保压2.5min，放气，重复3次，干燥，剥离，即得所述抗细菌生物膜复合微针；其中，所述微针的长度为500μm，所述微针针体顶部的直径为300μm，所述微针针体底部的直径为50μm。
实施例4细菌生物膜复合微针
一种抗细菌生物膜复合微针，其制备方法包括以下步骤：
S1.将分子量为30KDa的壳聚糖和硝酸锌溶于水中(壳聚糖的质量、硝酸锌的质量和水的体积比为0.2：3：50)，真空除泡，得到壳聚糖硝酸锌复合溶液；
S2.将步骤S1得到的壳聚糖硝酸锌复合溶液以用量为0.3mL/cm2涂铺于PDMS微针模具上，抽真空至0.07MPa，保压2min，放气，重复4次，干燥，剥离，即得所述抗细菌生物膜复合微针；其中，所述微针的长度为250μm，所述微针针体顶部的直径为200μm，所述微针针体底部的直径为30μm。
实施例5细菌生物膜复合微针
一种抗细菌生物膜复合微针，其制备方法包括以下步骤：
S1.将分子量为70KDa的壳聚糖和硝酸锌溶于水中(壳聚糖的质量、硝酸锌的质量和水的体积比为0.4：4：50)，真空除泡，得到壳聚糖硝酸锌复合溶液；
S2.将步骤S1得到的壳聚糖硝酸锌复合溶液以用量为0.35mL/cm2涂铺于PDMS微针模具上，抽真空至0.05MPa，保压2.8min，放气，重复3次，干燥，剥离，即得所述抗细菌生物膜复合微针；其中，所述微针的长度为340μm，所述微针针体顶部的直径为250μm，所述微针针体底部的直径为25μm。
以下以实施例1为例，测定本发明制备得到的微针的抗细菌生物膜性能，具体的实验方法和实验结果分别如下：
应用例1微针的抗细菌生物膜性能测定
1、实验方法
利用抗细菌生物膜实验(细菌死活染色实验)测定本发明微针的抗细菌生物膜性能，将微针作用于细菌生物膜后，使用死活染色剂表征残存活细菌的量；具体过程如下：
首先，在Luria-Bertani(LB)肉汤培养基中，将大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的细菌悬浮液(106CFU/mL)与ParafilmTM(模型皮肤，PF)共培养7天，在PF皮模拟物上形成一层均匀的细菌生物膜；
然后，用CS-Zn(II)MNs的正反面分别(正面，有微针，实验组；反面，无微针，对照组)处理细菌生物膜(37℃，12h)，在此期间每2h向其中添加200μL无菌PBS；
最后，在彻底清除MNs残留物后，添加活/死染色试剂(无光，孵育15分钟)；最后，使用荧光显微镜观察生物膜中细菌的死活情况。
2、实验结果
本发明微针的抗细菌生物膜性能测定结果如图2所示，可以看出，对照组CS-Zn(II)薄膜不能杀死细菌生物膜内的细菌，而实验组CS-Zn(II)MNs可以有效杀死细菌生物膜内的细菌(大肠杆菌，金黄色葡萄球菌)；因此，本发明的抗细菌生物膜复合微针能够刺穿细菌生物膜，有效地克服了细菌生物膜对抗菌物质的阻碍作用，促进具有抗细菌性能的壳聚糖和锌离子(Zn2+)输送至细菌生物膜内，显著地提高了壳聚糖和Zn2+抗细菌生物膜的性能，有效地清除了细菌生物膜，进而促进了慢性难愈合伤口的快速愈合。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抗细菌生物膜复合微针，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：
S1.将壳聚糖和硝酸锌溶于水中，真空除泡，得到壳聚糖硝酸锌复合溶液；
S2.将步骤S1得到的壳聚糖硝酸锌复合溶液涂铺于PDMS微针模具上，填充，干燥，剥离，即得所述抗细菌生物膜复合微针。
2.根据权利要求1所述的微针，其特征在于，步骤S1所述壳聚糖的质量、硝酸锌的质量和水的体积比为0.1～0.5：1～5：50。
3.根据权利要求1所述的微针，其特征在于，步骤S1所述壳聚糖的分子量＜80KDa。
4.根据权利要求1所述的微针，其特征在于，步骤S2所述涂铺的用量为0.1～0.4mL/cm2。
5.根据权利要求1所述的微针，其特征在于，步骤S2所述填充为真空填充。
6.根据权利要求5所述的微针，其特征在于，步骤S2所述真空填充的条件为：抽真空至0.04～0.08MPa，保压2～3min，放气，重复3～4次。
7.根据权利要求1～6任一所述的微针，其特征在于，所述微针包括微针针体和微针基底，所述微针针体包括微针针体顶部和微针针体底部。
8.根据权利要求7所述的微针，其特征在于，所述微针针体的长度为150～500μm，所述微针针体顶部的直径为100～300μm，所述微针针体底部的直径为10～50μm。
9.权利要求1～8任一所述微针在清除细菌生物膜或制备细菌生物膜清除剂中的应用。
10.权利要求1～8任一所述微针在制备慢性难愈合伤口修复材料中的应用。
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