CN113018436B - 一种抗菌金属离子-酞菁/聚多巴胺纳米球及其制备方法 - Google Patents

一种抗菌金属离子-酞菁/聚多巴胺纳米球及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗菌金属离子－酞菁/聚多巴胺纳米球及其制备方法，包括以下步骤：S1、将可溶性金属盐、酞菁化合物、多巴胺盐酸盐在混合溶液中混合，常温下搅拌反应一段时间后，得到配位复合物溶液；S2、用Tris溶液调节配位复合物溶液的pH值，利用氙灯辐照配位复合物溶液，离心收集沉淀，用水和乙醇交替洗涤，干燥即得。本发明根据邻苯二酚与二价金属离子的配位作用，并利用可见光辐照配位复合物中酞菁产生活性氧簇，促进多巴胺进行氧化聚合，一步构建抗菌金属离子－酞菁/聚多巴胺纳米球，无需添加额外的氧化剂，制作方法简单，得到的抗菌纳米球兼具化学动力和光动力抗菌活性，能有效杀灭病原微生物、部分耐药菌，具有协同抗菌作用。

Description

一种抗菌金属离子-酞菁/聚多巴胺纳米球及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物纳米抗菌材料领域，特别涉及一种协同化学和光动力抗菌的金属离子-酞菁/聚多巴胺纳米球及其制备方法。
背景技术
尽管抗生素自被发现以来在治疗细菌感染中发挥了重要作用，细菌感染仍是导致全球人类死亡的主要诱因之一。过去的三十年中，传统抗菌手段过度使用抗生素，导致细菌的耐药性不断增加，对人类健康构成严重威胁。在英国政府委托威康信托基金会于2016年发表的《抗生素耐药性综述》中，作者预计，到2050年，全球每年可能有1000万人死于抗生素耐药性，超过每年死于癌症的820万人。尽管如此，目前大部分纳米抗菌材料开发制作仍然严重依赖于使用传统抗生素，如氟喹诺酮类、青霉素类等。
面对耐药性阴云围困、人类最后防线失效(多粘菌素抗药性)前所未有的困境，科学家们在不同领域开展替代抗生素的抗菌研究。这些方法包括：一、天然抗菌化合物药物递送、疫苗和噬菌体疗法等。但天然化合物的抗菌活性较低，疫苗和噬菌体疗法通常只对特定的感染菌株起作用，成本高昂，阻碍了它们在替代抗生素方面的实际应用。二、抗菌纳米材料开发。具体的有金属氧化物纳米颗粒(例如，氧化铁、ZnO、TiO2)、2D纳米材料(例如，石墨烯基、金属碳化物和氮化物)、金属-有机框架(MOFs)、过氧化物酶衍生物，由这些纳米材料生成活性氧(ROS)依赖于相应的物性参数，如结晶度、组成及其纳米结构；此外，还发展了基于聚合物纳米材料、碳基纳米材料、金纳米材料和金属硫化物纳米材料的光热抗菌疗法，其中制剂的表面效应影响细菌杀灭效率，同时局部热效应易造成正常组织灼伤。即使是最具前景、安全性较高的光动力疗法，对于革兰氏阴性菌的杀灭效果也一般。综上所述，单一抗菌疗法抗菌效果有限且治疗条件苛刻，开发新的具有协同抗菌作用的抗菌制剂具有重要的意义。
光动力疗法因其微创性，低毒性，不产生耐药性等优点被认为是开发高效、安全抗菌材料最具前景的新疗法之一，主要利用光敏剂产生有毒活性氧(ROS)消除病原体。然而，光敏剂聚集诱导淬灭导致光活性降低，限制了其在临床中的进一步应用。通过制备含光敏剂的亲水纳米颗粒是应对这一问题的有效方法。目前，光敏剂主要通过共价键、疏水相互作用等方式封装于纳米颗粒，而基于光敏剂的协同抗菌纳米材料的研究还较少。
聚多巴胺(PDA)生物相容性好，具有金属离子螯合性、多功能黏性、高化学反应性、高分散性及可降解性，其结构中含有大量的邻苯二酚和一、二级胺，吸附在材料表面可以作为反应的“桥梁”，对其表面改性并负载相应的功能性物质可用于药物靶向递送。多用于传统抗菌材料构建，如，银＠聚多巴胺核壳结构、载抗生素纳米粒子等。这些构建方法通常涉及多步反应，过程复杂。其中，聚多巴胺聚合方式主要是自氧化、添加氧化剂，自氧化反应时间长、反应不可控，额外添加氧化剂可能侵占多巴胺功能基团且引起生物相容性降低。因此，如何有效利用多巴胺通过简单步骤和方法开发一种安全有效、无细菌耐药性产生的新型非抗生素抗菌材料至关重要。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种协同化学和光动力抗菌的金属离子-酞菁/聚多巴胺纳米球及其制备方法，解决现有技术中抗菌效果有限、治疗条件苛刻，制备过程复杂、需要添加氧化剂的问题。
本发明采用的技术方案如下：一种抗菌金属离子-酞菁/聚多巴胺纳米球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将可溶性金属盐、酞菁化合物、多巴胺盐酸盐在混合溶液中混合，常温下搅拌反应一段时间后，得到含有金属离子-酞菁/聚多巴胺配位复合物的配位复合物溶液；其中，可溶性金属盐为可溶性铜盐或/和可溶性锌盐；
S2、用Tris溶液调节配位复合物溶液的pH值至8.0-10.0，然后在持续搅拌过程中，利用带400nm截止滤光片的氙灯辐照配位复合物溶液一段时间，促进复合物中多巴胺氧化聚合，离心收集沉淀，用水和乙醇交替洗涤，干燥即得金属离子-酞菁/聚多巴胺配合物纳米球。
本发明制备方法将金属离子(优选为铜离子)作为“桥梁”，分别与酞菁化合物和多巴胺中邻苯二酚配位，进而有利于多巴胺氧化聚合成球时金属离子和酞菁化合物在纳米颗粒上的连续均匀分布。即是说，本发明根据酞菁化合物与二价金属离子(特别是二价铜离子)的配位作用，制备金属离子-酞菁/多巴胺配位复合物，并利用可见光辐照酞菁产生活性氧簇，促进配位复合物多巴胺进行氧化聚合，一步构建抗菌金属离子-酞菁/聚多巴胺纳米球，无需添加额外的氧化剂，制作方法简单，得到的金属离子-酞菁/聚多巴胺纳米球不仅具有光动力抗菌作用，还保留了金属离子的化学动力抗菌，克服了单一靠光敏剂光动力抗菌对革兰氏阴性菌抗菌效果差的问题，具有协同化学动力和光动力抗菌活性。
进一步，所述混合溶液为纯水与N’N-二甲基甲酰胺或与二甲基亚砜或与乙醇或与甲醇的混合，所述混合溶液的体积比为(1.5-9)：1。混合溶液中混入有机溶剂，以便于酞菁化合物的溶解性，进而有利于与金属离子配位并在最终纳米颗粒中的均匀分布。
进一步，所述可溶性铜盐为氯化铜、硫酸铜、硝酸铜中的一种或多种的组合。
进一步，当可溶性金属盐为可溶性铜盐时，可溶性铜盐、酞菁化合物、多巴胺盐酸盐的质量比为(1.5-3)：(3-20)：(3-12)。在本发明中，多巴胺盐酸盐最好过量，过量的多巴胺盐酸盐与参与配位的多巴胺氧化共聚合，进而有利于成球。
在本发明中，铜离子的双配位作用能够与酞菁和多巴胺形成配合物，并同时保留自身化学抗菌的特点，而银离子虽然具有良好的化学抗菌活性，但是其不能与酞菁和多巴胺形成两两配合物，如果将铜离子替换为具有更好配位作用的铁离子，则由于铁离子化学抗菌活性较低，其并不能达到抗菌要求。经过发明人多次试验得到，铜离子替换为锌离子后，其也能获得相似结构的配合物，其抗菌效果也能符合要求，即是说，所述可溶性铜盐也可以全部或部分为可溶性锌盐，所述可溶性锌盐为氯化锌、硫酸锌、硝酸锌中的一种或多种的组合。
进一步，所述酞菁化合物中含有邻苯二酚结构，通过邻苯二酚与二价金属离子的配位作用，制备出配位复合物。作为优选，酞菁化合物的结构式如式(I)所示：
Figure BDA0002968727570000041
Figure BDA0002968727570000051
式中，M为Zn2+、Co2+、Cu2+或Ni2+。
作为优选，酞菁化合物的结构式如式(Ⅱ)所示：
Figure BDA0002968727570000052
式中，M为Zn2+、Co2+、Cu2+或Ni2+。
进一步，在S2中，氙灯光照强度为0.5-9W·cm-2，光照反应时间为1-3h。
本发明还包括一种抗菌金属离子-酞菁/聚多巴胺纳米球，所述金属离子-酞菁/聚多巴胺纳米球通过上述制备方法制备得到，金属离子-酞菁/聚多巴胺配合物纳米球具有化学动力和光动力抗菌活性，其粒径为60-300nm。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
(1)本发明设计科学，方法简单，操作简便，本发明的金属离子-酞菁/聚多巴胺纳米球尺寸均一、组分可调，其抗菌活性、粒径可通过金属盐、酞菁化合物、多巴胺盐酸盐质量比例调节；
(2)区别于传统纳米材料载药方法，本发明根据邻苯二酚与金属离子(二价铜离子)的配位作用，制备金属离子-酞菁/多巴胺配位复合物，并利用可见光辐照酞菁产生活性氧簇，促进配位复合物多巴胺进行氧化聚合，一步构建抗菌金属离子-酞菁/聚多巴胺配合物纳米球，无需添加额外的氧化剂，制作方法简单；
(3)不同于抗生素抗菌方式，本发明构建的金属离子-酞菁/聚多巴胺配合物纳米球兼具金属离子化学动力和酞菁光动力抗菌活性，能有效杀灭病原微生物、部分耐药菌，具有协同抗菌作用。
(4)纳米颗粒持续释放的铜或/和锌离子参与体内蛋白的合成，治疗过程使用的红光(600-800nm)促进局部血液循环、细胞再生，加速感染创面愈合。
附图说明
图1是本发明的抗菌金属离子-酞菁/聚多巴胺纳米球制备流程及作用原理示意图；
图2是实施1中抗菌金属离子-酞菁/聚多巴胺纳米球的形貌图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的抗菌金属离子-酞菁/聚多巴胺配合物纳米球制备方法及作用机理如图1所示，在图1中，将酞菁化合物、可溶于溶液的金属盐(以二价铜离子为代表)以及多巴胺盐酸盐共混于溶液中，搅拌反应一段时间后，通过光引发多巴胺氧化聚合得到抗菌金属离子-酞菁/聚多巴胺配合物纳米球，该纳米球在红光辐照下表现出光动力抗菌活性，在没有光辐照或者光辐照时，纳米球还能释放金属离子，进而表现出化学动力抗菌活性。
进一步地，为了更好地实施本发明，以下列举具体的实施例：
实施例1
一种抗菌Cu2+-酞菁/聚多巴胺纳米球的制备方法，包括以下步骤：
S1、取50mL体积比为9：1的水与N’N-二甲基甲酰胺混合溶液，加入1.5mg氯化铜、3mg(2，3，9，10，16，17，23，24-八羟基酞菁)铜、3mg多巴胺盐酸盐，常温搅拌10min后得到Cu2 +-酞菁/多巴胺配位复合物；
S2、用三羟甲基氨基甲烷(Tris)调节S1所得溶液的pH为10.0，然后在持续搅拌过程中，利用带400nm截止滤光片的氙灯(光强0.5mW·cm-2)辐照S1中的复合物3h，促进复合物中多巴胺氧化聚合，离心收集沉淀，用水和乙醇交替洗涤，干燥即得60nm的Cu2+-酞菁/聚多巴胺配合物纳米球。
抗菌性能检测：
将106CFU/mL的大肠杆菌菌液与2mM上述配合物纳米球溶液等体积混合后，在黑暗条件下置于37℃恒温摇床震荡培养12h，取出后梯度稀释，通过平板计数法测得抑菌率＞96.1％。
将106CFU/mL的大肠杆菌菌液与2mM上述配合物纳米球溶液等体积混合，利用强度为3mW/cm2、波长为600-800nm的光照射15分钟后，置于37℃恒温摇床震荡培养12h，取出后梯度稀释，通过平板计数法测得抑菌率＞99.8％。
通过上述抗菌性能检测结果证实，本实施例制备的Cu2+-酞菁/聚多巴胺配合物纳米球具备优异的化学动力和光动力抗菌活性。
实施例2
一种抗菌Cu2+-酞菁/聚多巴胺纳米球的制备方法，包括以下步骤：
S1、取30mL体积比为6：1的水与二甲基亚砜混合溶液，加入2mg硫酸铜、6mg(2，3，9，10，16，17，23，24-八羟基酞菁)钴、8mg多巴胺盐酸盐，常温搅拌20min后反应得到Cu2+-酞菁/多巴胺配位复合物；
S2、用三羟甲基氨基甲烷(Tris)调节S1所得溶液的pH为8.8，然后在持续搅拌过程中，利用带400nm截止滤光片的氙灯(光强5mW·cm-2)辐照S1中的复合物2h，促进复合物中多巴胺氧化聚合，离心收集沉淀，用水和乙醇交替洗涤，干燥即得200nm的Cu2+-酞菁/聚多巴胺配合物纳米球。
抗菌性能检测：
将106CFU/mL的大肠杆菌菌液与2mM上述配合物纳米球溶液等体积混合后，在黑暗条件下置于37℃恒温摇床震荡培养12h，取出后梯度稀释，通过平板计数法测得抑菌率＞97.2％。
将106CFU/mL的大肠杆菌菌液与2mM上述配合物纳米球溶液等体积混合，利用强度为3mW/cm2、波长为600-800nm的光照射15分钟后，置于37℃恒温摇床震荡培养12h，取出后梯度稀释，通过平板计数法测得抑菌率为100％。
结果证实，本实施例制备的Cu2+-酞菁/聚多巴胺配合物纳米球具备优异的化学动力和光动力抗菌活性。
实施例3
一种抗菌Cu2+-酞菁/聚多巴胺纳米球的制备方法，包括以下步骤：
S1、取20mL体积比为1.5：1的水与甲醇混合溶液，加入3mg硝酸铜、20mg2，9，16，23-四(3，4，5-三羟基苯甲酰氨基)酞菁锌、12mg多巴胺盐酸盐，常温搅拌30min后反应得到Cu2+-酞菁/多巴胺配位复合物；
S2、用三羟甲基氨基甲烷(Tris)调节S1所得溶液的pH为8.0，然后在持续搅拌过程中，利用带400nm截止滤光片的氙灯(光强0.5mW·cm-2)辐照S1中的复合物1h，促进复合物中多巴胺氧化聚合，离心收集沉淀，用水和乙醇交替洗涤，干燥即得300nm的Cu2+-酞菁/聚多巴胺配合物纳米球。
抗菌性能检测：
将106CFU/mL的大肠杆菌菌液与2mM上述配合物纳米球溶液等体积混合后，在黑暗条件下置于37℃恒温摇床震荡培养12h，取出后梯度稀释，通过平板计数法测得抑菌率＞96.7％。
将106CFU/mL的大肠杆菌菌液与2mM上述配合物纳米球溶液等体积混合，利用强度为3mW/cm2、波长为600-800nm的光照射15分钟后，置于37℃恒温摇床震荡培养12h，取出后梯度稀释，通过平板计数法测得抑菌率＞99.9％。
结果证实，本实施例制备的Cu2+-酞菁/聚多巴胺纳米球具备优异的化学动力和光动力抗菌活性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抗菌金属离子－酞菁/聚多巴胺纳米球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将可溶性金属盐、酞菁化合物、多巴胺盐酸盐在混合溶液中混合，常温下搅拌反应一段时间后，得到含有金属离子－酞菁/聚多巴胺配位复合物的配位复合物溶液；其中，可溶性金属盐为可溶性铜盐或/和可溶性锌盐；
S2、用Tris溶液调节配位复合物溶液的pH值至8.0－10.0，然后在持续搅拌过程中，利用带400nm截止滤光片的氙灯辐照配位复合物溶液一段时间，促进复合物中多巴胺氧化聚合，离心收集沉淀，用水和乙醇交替洗涤，干燥即得金属离子－酞菁/聚多巴胺纳米球。
2.如权利要求1所述的抗菌金属离子－酞菁/聚多巴胺纳米球的制备方法，其特征在于，所述混合溶液为纯水与N’N－二甲基甲酰胺或与二甲基亚砜或与乙醇或与甲醇的混合，其体积比为(1.5－9)：1。
3.如权利要求1所述的抗菌金属离子－酞菁/聚多巴胺纳米球的制备方法，其特征在于，所述可溶性铜盐为氯化铜、硫酸铜、硝酸铜中的一种或多种的组合。
4.如权利要求1所述的抗菌金属离子－酞菁/聚多巴胺纳米球的制备方法，其特征在于，当可溶性金属盐为可溶性铜盐时，可溶性铜盐、酞菁化合物、多巴胺盐酸盐的质量比为(1.5－3)：(3－20)：(3－12)。
5.如权利要求1所述的抗菌金属离子－酞菁/聚多巴胺纳米球的制备方法，其特征在于，所述可溶性锌盐为氯化锌、硫酸锌、硝酸锌中的一种或多种的组合。
6.如权利要求1所述的抗菌金属离子－酞菁/聚多巴胺纳米球的制备方法，其特征在于，所述酞菁化合物中含有邻苯二酚结构，酞菁化合物的结构式如式(I)所示：
Figure FDA0002968727560000021
式中，M为Zn2+、Co2+、Cu2+或Ni2+。
7.如权利要求1所述的抗菌金属离子－酞菁/聚多巴胺纳米球的制备方法，其特征在于，酞菁化合物的结构式如式(Ⅱ)所示：
Figure FDA0002968727560000022
式中，M为Zn2+、Co2+、Cu2+或Ni2+。
8.如权利要求1所述的抗菌金属离子－酞菁/聚多巴胺纳米球的制备方法，其特征在于，在S2中，氙灯光照强度为0.5－9W·cm-2，光照反应时间为1－3h。
9.一种抗菌金属离子－酞菁/聚多巴胺纳米球，其特征在于，所述金属离子－酞菁/聚多巴胺纳米球通过上述权利要求1－8之一所述的制备方法制备得到，金属离子－酞菁/聚多巴胺纳米球具有化学动力和光动力抗菌活性。
10.如权利要求9所述的抗菌金属离子－酞菁/聚多巴胺纳米球，其特征在于，所述金属离子－酞菁/聚多巴胺纳米球的粒径为60－300nm。
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