CN112870434A - 一种杀菌/抑菌生物活性界面材料及其制备方法 - Google Patents

一种杀菌/抑菌生物活性界面材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及生物医用材料领域，特指一种杀菌/抑菌生物活性界面材料及其制备方法。该生物活性界面材料主要通过在界面材料表面修饰抗粘附聚合物基底，然后在聚合物侧链接枝具有细菌感染微环境响应性和抗菌性能的多肽，最后将具有细菌靶向功能的多肽通过自组装结合到界面上，完成生物活性界面材料的制备。当面对细菌感染时，该生物活性界面首先通过粘附富集细菌；然后，多肽纳米组装体响应性解组装释放抗菌肽对细菌进行杀灭并抑制细菌在界面上形成生物膜；最后，释放了多肽的生物界面依然具有抑菌作用。该自组装多肽基生物活性界面具有“进攻+防御”多功能，为组织工程产品的表界面杀菌和抑菌功能修饰提供了新的思路，具有广泛的应用前景。

Description

一种杀菌/抑菌生物活性界面材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物医用材料领域，尤其涉及一种自组装多肽基原位响应型杀菌/抑菌生物活性界面材料及其制备方法。
背景技术
病原微生物的入侵往往是从界面开始，从而引发植入物感染，并且容易形成耐药性极强的生物膜。由于生物膜可以抵抗各种外界环境的影响包括抗菌剂的杀伤作用，因此对人类健康构成严重威胁。比如，在骨科植入手术后，细菌可能粘着在植入支架表面生长繁殖，阻止骨细胞在治疗表面的粘着，减缓了骨缺损恢复的速度，同时感染引发的炎症反应可能对周围组织造成伤害，进而引起各种并发症，包括骨髓炎、骨吸收等。骨科植入材料的感染有着高发性、反复性与迟发性的特点。病原微生物与界面间的相互作用启发我们可以从界面设计出发，通过调控例如细菌在界面上的行为实现微生物的富集和调控，或者对界面进行杀菌/抑菌性能设计，并应用于组织工程产品界面修饰，解决现有存在的植入性组织工程支架类产品容易引发感染而导致植入体寿命降低或种植手术失败的问题。
在过去的几十年里，诸多传统的抗菌策略应用于构建抗菌表面。根据抗菌机理不同，可分为三种类型，分别为被动的“防御型”抗污表面、主动的“进攻型”杀菌表面、“防御+进攻型”双功能抗菌表面，以及“杀菌-释放细菌”智能抗菌表面。该类抗菌表面大多为通过化学共价修饰引入外源性抗菌功能成分，或者利用外部刺激实现抗菌功能，存在反应条件苛刻，过多引入外源性成分引发生物安全隐患，无靶向性及不能按需控制等的诸多弊端。
近年来，由于抗生素耐药危机的爆发，新型抗菌剂的研究开发迫在眉睫，抗菌肽因其是生物体免疫系统的重要组成部分，且具有分布广泛、有广谱抗菌活性、抗病毒、难以产生耐药性，以及对生物膜初期粘附的抑制作用和对成熟生物膜的破坏作用等性能，被认为是抗生素的最佳替代品。但抗菌肽在应用过程中存在已被蛋白酶降解和细胞毒性的问题，常用的解决策略为进行载体包覆或设计抗菌肽纳米组装体来提高抗菌肽的稳定性、抗菌性能及生物相容性。另外，在众多的响应刺激中，只有细菌及细菌感染部位微环境的变化不依赖外部能量的输入，细菌感染微环境由于大量细菌繁殖而代谢产生酸性物质，导致pH值下降呈微酸性。因此，通过设计对细菌感染微环境响应性高分子材料，有助于提高材料响应性治疗效果，提高生物相容性，对于材料抗菌表面的功能实现具有重要意义。以上问题的解决可以通过设计具有环境响应性能可控解组装的功能抗菌肽来实现。自组装多肽因其具有结构功能可控性、响应性、可逆性，以及良好的生物相容性和生物活性等优势特点，已经被证明是一类良好的纳米材料构建基元，越来越多的响应型生物功能材料的构建离不开自组装多肽的参与。
本发明的技术思路是基于植入及介入材料表面细菌易粘附及形成生物膜所引发的感染及并发症问题，通过利用细菌感染微环境变化，创新性地利用具有抗菌功能和刺激响应性能兼备的自组装多肽纳米材料作为一种动态响应体系，制备一种自组装多肽基原位响应型杀菌/抑菌生物活性界面材料，赋予材料“进攻+防御”的多功能性，并为组织工程产品的表界面杀菌和抑菌功能修饰提供了新的思路。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可应用于组织工程材料修饰的自组装多肽基pH响应型杀菌/抑菌生物活性界面材料，该生物活性界面可实现捕获界面所处环境中细菌并响应释放的作用，防止界面表面形成生物膜，且释放后的多肽对释放的细菌具有杀灭作用，释放后的多肽修饰界面亦具有抗菌作用。
为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种自组装多肽基pH响应型杀菌/抑菌生物活性界面材料，该生物活性界面材料自下而上依次包含抗粘附分子聚合物刷，具有pH响应性、抗菌性及可调控组装的功能多肽，和末端偶联细菌靶向肽的可调控组装功能多肽。
所述的抗粘附分子聚合物刷优选为pHNHEMAAm-co-pAAm。
所述具有pH响应性、抗菌性及可调控组装的功能多肽为WH9(QL)6K2(多肽组装基元)，该多肽在中性条件下可自组装，而在细菌感染微环境弱酸性条件下可响应解组装，且解组装单体具有抗菌性能。
所述的末端偶联细菌靶向肽的可调控组装功能多肽可通过整体多肽固相合成或反应偶联获得。可选地，所述反应偶联可通过对组装基元多肽WH9(QL)6K2C-端进行含亲水性分子的双键聚合物修饰(多肽固相合成)，并与含-SH的细菌靶向肽进行点击化学反应结合。其中，WH9(QL)6K2的C-端修饰的含亲水性分子双键聚合物包括但不限于N-(3-氨基丙基)甲基丙烯酸(APMA)，形成多肽偶联体WH9(QL)6K2-(PEG8)-APMA。
优选地，所述的细菌靶向肽包括但不限于通过噬菌体展示技术筛选的细菌结合肽p937(WGLHTSATNLYLHGGGC)、p936(GLHTSATNLYLHGGGC)及其同源序列，及特异靶向金黄色葡萄球菌的多肽St.au9IVS5(RVRSAPSSS)等。
可选地，所述的细菌靶向肽可进行C-末端修饰-SH或含有半胱氨酸，且具备细菌靶向识别功能。
第二方面，本发明提供一种自组装多肽基pH响应型杀菌/抑菌生物活性界面材料的制备方法，该制备方法为将第一方面所述的生物活性材料偶联到材料表面上。主要包括以下步骤：
(1)通过乙氧基-羟基缩合反应，将3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(MPS)偶联到羟基化材料表面，包括但不限于石英，聚甲基硅氧烷，不锈钢等材料表面，得到甲基丙烯酰氧基表面；
(2)通过原子转移自由基聚合法在步骤(1)所得的甲基丙烯酰氧基表面合成抗粘附分子聚合物刷pHNHEMAAm-co-pAAm，得到抗非特异性吸附表面。
(3)通过羧基-氨基缩合反应，将N-末端乙酰化保护，C-末端含有氨基-NH2的多肽WH9(QL)6K2通过氨基和羧基的缩合反应结合到步骤(2)中抗粘附分子聚合物刷支链上，得到多肽基生物活性表面；
(4)通过直接固相合成WH9(QL)6K2与细菌靶向肽偶联体，或通过点击化学反应将C-端修饰含亲水性分子的双键聚合物的自组装多肽WH9(Q L)6K2与含硫氢键-SH的细菌靶向肽反应结合，得到末端偶联细菌靶向肽的可调控组装功能多肽。
(5)将步骤(4)获得的末端偶联细菌靶向肽的可调控组装功能多肽加入到步骤(3)所得多肽基生物活性表面，在pH 7.4中性缓冲液条件下孵育2～8h，优选4～6h，通过多肽组装基元间分子结合将细菌靶向肽引入到材料表面，得到可控解组装多肽基生物活性表面。
(6)步骤(5)中所得可控解组装多肽基生物活性表面与细菌作用，在pH 7.4中性条件下可实现细菌的靶向结合富集，在pH 5.7弱酸性条件下可实现捕获细菌的释放。
优选地，步骤(2)所述的抗粘附分子聚合物刷pHNHEMAAm-co-pAAm是通过光引发剂2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮(HHMP)对N-羟乙基丙烯酰胺(HEMAAm)、丙烯酸(Acrylic acid，AA)与硅烷化表面的甲基丙烯酰氧基进行原子转移聚合，其中，MPS与抗粘附分子聚合物刷的摩尔比为(0.8～1):1，优选0.8:1；HEMAAm、AA与HMMP三者摩尔比为3:1:22。
优选地，步骤(3)所述的羧基-氨基缩合反应，多肽Ac-WH9(QL)6K2在抗粘附分子聚合物刷表面的投料量为0.25～0.5mg/cm2，所述多肽与前述的丙烯酸的摩尔比为1:30-65，优选为1:35。
优选地，步骤(4)所述的点击化学反应为固相合成所得多肽偶联体WH9(QL)6K2-(PEG8)-APMA与含硫氢键-SH的细菌靶向肽的摩尔比为0.5-1:1，优选1:1，反应溶剂为二甲基亚砜，反应条件为pH＝8，优选用三乙胺调节溶液酸碱性。
优选地，步骤(5)所述末端偶联细菌靶向肽的可调控组装功能多肽与多肽基生物活性表面的自组装结合过程中，其投料量为0.25～1.5mg/cm2，反应条件为pH 7.4的缓冲溶液，优选Tris缓冲液、磷酸盐缓冲液。
优选地，步骤(6)中所得可控解组装多肽基生物活性表面与细菌作用，pH7.4中性条件优选Tris缓冲液、PBS缓冲液；pH 5.7弱酸性条件下优选地使用pH5.7MES缓冲液或pH5.7PBS缓冲液。
附图说明
图1是本发明所述界面材料的制备过程示意图。
图2是实施方案步骤(5)中所述界面制备过程及表征验证结果。其中，a-b)AFM表征和粗糙度数据统计。c)各修饰表面静态水接触角。d)各修饰表面的光电子能谱和相对元素含量。1-4分别代表对石英表面依次进行羟基化、烷基化、抗粘附聚合物刷接枝和多肽链接枝。结果表明，随着修饰进行，石英表面上的分子链长度不断增加，因此其粗糙度不断增加，且每步修饰粗糙度差异明显(p＜0.05)；接触角结果亦对应修饰过程引入分子的亲疏水变化；元素的变化和各元素分峰数据对应了该界面修饰各过程所使用的分子，因此证明该生物活性表面成功制备完成。
图3是实施方案步骤(6)-(7)部分中所述细菌捕获与释放实验和响应释放界面的杀菌/抑菌性能验证结果。其中，a-b)大肠杆菌的捕获和释放及其数据统计(p<0.0001)。c-d)WH9(QL)6K2-(PEG8)-APMA-p937靶向细菌从界面释放后的杀菌性能和释放后Ac-WH9(QL)6K2改性表面的抑菌性能，及其细菌死亡率的统计分析(p<0.0001)。结果表明，该生物界面具有抗非特异性黏附能力，较好的细菌捕获能力以及pH响应释放能力；并且响应释放的多肽和残留的多肽枝接表面对大肠杆菌具有一定抑菌/杀菌作用。
具体实施方式
本发明的一个具体的实施方案，包括如下步骤：
(1)通过对具有pH响应性可控解组装和抑菌性能兼顾的多肽纳米纤维WH9(QL)6K2进行化学修饰，得到WH9(QL)6K2-(PEG8)-APMA和Ac-WH9(QL)6K2，直接通过固相合成获得。
(2)制备官能化二氧化硅基底：将清洗干净的石英玻片浸入食人鱼洗液中浸泡24h使其表面富羟基化。用含MPS 10％(V/V)，冰醋酸1％(V/V)的无水乙醇溶液作用羟基化石英表面24h，使石英表面带有不饱和甲基丙烯酰氧基，经乙醇和去离子水反复清洗，N2吹干，以备后续聚合反应。
(3)制备抗粘附分子聚合物刷(pHNHEMAAm-co-pAAm)：取摩尔比为3:1:22的HEMAAm，AA和HHMP，加DMF至2mL，N2脱氧30min，得到反应溶液，于每片石英玻片下方加入50μL反应溶液覆盖整个石英玻片，高压汞灯下紫外(365nm)聚合10min，乙醇和去离子水反复清洗，N2吹干，保持聚合面朝上。
(4)制备可控解组装多肽基生物活性表面：首先，通过羧基-氨基缩合反应将多肽Ac-WH9(QL)6K2引入抗粘附分子聚合物刷表面，其中多肽投料量为0.25mg/cm2，作用24h，反应过程加入EDC/NHS活化反应基团，将所得多肽基生物活性石英表面用DMF和无水乙醇清洗并用N2吹干；其次，通过将WH9(QL)6K2-(PEG8)-APMA与p937在100μL碱性DMSO溶液中反应12h，获得WH9(QL)6K2-(PEG8)-APMA-P937偶联体，两种多肽的投料摩尔比为0.5:1，总量约0.25mg/cm2；最后，将多肽基生物活性石英玻片放入48孔板中，于修饰表面加入pH 7.4Trisbuffer 0.5mL紧接着加入WH9(QL)6K2-(PEG8)-APMA-P937的反应溶液，与4℃条件下反应6h，使多肽通过自组装结合在界面上。
(5)对(1-4)的生物活性界面材料的各制备过程的石英修表面的粗糙度变化，静水接触角、表面化学组成进行表征，验证整个修饰过程的准确性。
(6)细菌捕获与释放实验：将步骤(4)所得多肽功能化的玻片移去多余反应溶液，Tris buffer清洗3～5次，加入0.5mL含大肠杆菌107CFU/mL Tris buffer，大肠杆菌经SYTO-9预染色，室温避光孵育1h。孵育完成后，Tris buffer清洗界面5次后在荧光显微镜下观察细菌捕获情况。捕获过细菌的界面在24孔板中用pH 5.7MES buffer孵育1.5h，然后用pH 5.7MES buffer清洗5次之后在荧光显微镜下观察释放情况。其中，步骤(4)中多肽功能化界面作为阴性对照组。
(7)响应释放界面的杀菌/抑菌性能验证：通过对捕获释放后的细菌连同释放后与细菌结合的多肽在pH 5.7MES buffer中孵育，以及释放后剩余的多肽修饰界面重新加入悬浮于pH 5.7MES buffer中的107CFU/mL大肠杆菌进行孵育，孵育条件为37℃18h，其中，含107CFU/mL大肠杆菌的MES buffer为阴性对照组。孵育结束后对细菌进行活/死染色，荧光倒置显微镜观察细菌死亡率，来验证响应释放界面的杀菌/抗菌性能。

Claims (10)

1.一种杀菌/抑菌生物活性界面材料，其特征在于，所述杀菌/抑菌生物活性界面材料自下而上依次包含抗粘附分子聚合物刷，具有pH响应性、抗菌性及可调控组装的功能多肽，和末端偶联细菌靶向肽的可调控组装功能多肽。
2.如权利要求1所述的一种杀菌/抑菌生物活性界面材料，其特征在于，所述的抗粘附分子聚合物刷优选为pHNHEMAAm-co-pAAm。
3.如权利要求1所述的一种杀菌/抑菌生物活性界面材料，其特征在于，所述具有pH响应性、抗菌性及可调控组装的功能多肽为WH9(QL)6K2(多肽组装基元)，该多肽在中性条件下可自组装，而在细菌感染微环境弱酸性条件下可响应解组装，且解组装单体具有抗菌性能。
4.如权利要求1所述的一种杀菌/抑菌生物活性界面材料，其特征在于，所述的末端偶联细菌靶向肽的可调控组装功能多肽可通过整体多肽固相合成或反应偶联获得。
5.如权利要求4所述的一种杀菌/抑菌生物活性界面材料，其特征在于，所述反应偶联可通过对组装基元多肽WH9(QL)6K2 C-端进行含亲水性分子的双键聚合物修饰(多肽固相合成)，并与含-SH的细菌靶向肽进行点击化学反应结合；其中，WH9(QL)6K2的C-端修饰的含亲水性分子双键聚合物包括但不限于N-(3-氨基丙基)甲基丙烯酸(APMA)，形成多肽偶联体WH9(QL)6K2-(PEG8)-APMA；
所述细菌靶向肽包括但不限于通过噬菌体展示技术筛选的细菌结合肽p937(WGLHTSATNLYLHGGGC)、p936(GLHTSATNLYLHGGGC)及其同源序列，特异靶向金黄色葡萄球菌的多肽St.au9IVS5(RVRSAPSSS)；所述的细菌靶向肽可进行C-末端修饰-SH或含有半胱氨酸，且具备细菌靶向识别功能。
6.如权利要求1所述的一种杀菌/抑菌生物活性界面材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)通过乙氧基-羟基缩合反应，将3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(MPS)偶联到羟基化材料表面，得到甲基丙烯酰氧基表面；
(2)通过原子转移自由基聚合法在步骤(1)所得的甲基丙烯酰氧基表面合成抗粘附分子聚合物刷pHNHEMAAm-co-pAAm，得到抗非特异性吸附表面；
(3)通过羧基-氨基缩合反应，将N-末端乙酰化保护，C-末端含有氨基-NH2的多肽WH9(QL)6K2通过氨基和羧基的缩合反应结合到步骤(2)中抗粘附分子聚合物刷支链上，得到多肽基生物活性表面；
(4)通过直接固相合成WH9(QL)6K2与细菌靶向肽偶联体，或通过点击化学反应将C-端修饰含亲水性分子的双键聚合物的自组装多肽WH9(QL)6K2与含硫氢键-SH的细菌靶向肽反应结合，得到末端偶联细菌靶向肽的可调控组装功能多肽；
(5)将步骤(4)获得的末端偶联细菌靶向肽的可调控组装功能多肽加入到步骤(3)所得多肽基生物活性表面，在pH 7.4中性缓冲液条件下孵育2～8h，优选4～6h，通过多肽组装基元间分子结合将细菌靶向肽引入到材料表面，得到可控解组装多肽基生物活性表面；
(6)步骤(5)中所得可控解组装多肽基生物活性表面与细菌作用，在pH 7.4中性条件下可实现细菌的靶向结合富集，在pH 5.7弱酸性条件下可实现捕获细菌的释放。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，羟基化材料表面包括但不限于石英，聚甲基硅氧烷，不锈钢材料表面；步骤(2)中，所述的抗粘附分子聚合物刷pHNHEMAAm-co-pAAm是通过光引发剂2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮(HHMP)对N-羟乙基丙烯酰胺(HEMAAm)、丙烯酸(Acrylic acid，AA)与硅烷化表面的甲基丙烯酰氧基进行原子转移聚合，其中，MPS与抗粘附分子聚合物刷的摩尔比为(0.8～1):1；HEMAAm、AA与HMMP三者摩尔比为3:1:22；步骤(3)中，所述的羧基-氨基缩合反应，多肽Ac-WH9(QL)6K2在抗粘附分子聚合物刷表面的投料量为0.25～0.5mg/cm2，所述多肽与步骤(2)中的丙烯酸的摩尔比为1:30-65。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，MPS与修饰聚合物刷的摩尔比为0.8:1；所述多肽与步骤(2)中的丙烯酸的摩尔比为1:35。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的点击化学反应为固相合成所得多肽偶联体WH9(Q L)6K2-(PEG8)-APMA与含硫氢键-SH的细菌靶向肽的摩尔比为0.5-1:1，反应溶剂为二甲基亚砜，反应条件为pH＝8，优选用三乙胺调节溶液酸碱性；步骤(5)中，所述末端偶联细菌靶向肽的可调控组装功能多肽与多肽基生物活性表面的自组装结合过程中，其投料量为0.25～1.5mg/cm2，反应条件为pH 7.4的缓冲溶液；步骤(6)中所得可控解组装多肽基生物活性表面与细菌作用，pH 7.4中性条件选择Tris缓冲液或PBS缓冲液；pH5.7弱酸性条件下使用pH 5.7MES缓冲液或pH 5.7PBS缓冲液。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，多肽偶联体WH9(QL)6K2-(PEG8)-APMA与含硫氢键-SH的细菌靶向肽的摩尔比为1:1；步骤(5)中，反应条件为pH 7.4的缓冲溶液为Tris缓冲液或磷酸盐缓冲液。
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US20070254006A1 (en) * 2006-02-15 2007-11-01 Massachusetts Institute Of Technology Medical Devices and Coatings with Non-Leaching Antimicrobial Peptides
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汪吴晶等: "抗菌肽的作用机制、应用及改良策略", 《动物营养学报》 *

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