CN113018507B - 一种具有光热性能的抗菌水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于生物材料领域，具体涉及一种具有光热性能的抗菌水凝胶及其制备方法和应用。短序列抗菌肽(AMP)通过甘氨酸(G)接头与多肽水凝胶RADA16相连，得到具有内在抗菌活性的抗菌水凝胶。接着将光热剂硫化铜纳米点(CuS NDs)包裹其中，通过近红外光的照射使其快速升温，与抗菌水凝胶产生协同杀菌的效果。该抗菌水凝胶具有良好的生物相容性，可持续作用于伤口表面，在有效清除病原菌的同时还能达到透气保湿、吸出组织渗出液的效果，同时它的可生物降解性还避免了剥离时对新生组织的二次伤害。本发明的抗菌水凝胶合成方便，安全性高，抗菌性能优异，可有效改善细菌感染伤口的愈合质量。

Description

一种具有光热性能的抗菌水凝胶及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于生物材料技术领域，具体涉及一种具有光热性能的抗菌水凝胶及其制备方法和应用。
背景技术
皮肤作为人体最大的器官，极易受到烧伤或创伤的损害。伤口愈合是一个复杂而有序的生物学过程，涉及多个阶段(即止血、炎症、增殖和重塑)。细菌感染是伤口愈合过程中的严重问题之一，在阻碍愈合进程的同时还会导致其他与感染相关的严重综合症。
水凝胶是一种三维(3D)多孔的柔软粘弹性材料，作为伤口敷料可以保持湿润的环境，提供对敏感下层组织的无粘附性覆盖，并以极好的顺应性减少疼痛。考虑到细菌诱导的感染，人们还在水凝胶中引入了一系列抗菌剂，抗菌剂目前依旧是抗生素的使用最为广泛。但是随着耐药细菌的出现，传统的抗生素渐渐失去了原有功效，无法再行之有效地应对复杂多变的伤口病理环境。
因此，开发出一种具有高内在抗菌活性的多功能水凝胶敷料，对于细菌感染的伤口愈合具有重要意义。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种具有光热性能的抗菌多肽水凝胶及其制备方法和应用，本发明制备的抗菌水凝胶不仅具有内在的广谱抗菌活性，并且保留了水凝胶在组织再生方面的优势，在抑菌、细菌感染伤口的光热治疗方面均有广泛的应用前景。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供的具有光热性能的抗菌水凝胶由抗菌多肽水凝胶、光热剂硫化铜纳米点组成。
抗菌多肽水凝胶序列为RADARADARADARADAGGIIKKIIKKIIKKI，其中抗菌肽序列为GIIKKIIKKIIKKI，多肽水凝胶序列为RADARADARADARADA。
抗菌多肽水凝胶采用Rink-Amide-ChemMatrix树脂进行固相合成，即固相树脂上被Fmoc保护的单体氨基酸脱保护后露出氨基，通过缩合反应与下一个氨基酸活化的羧基形成肽键，从而将氨基酸连接到树脂上，如此循环往复将肽链从C端向N端延伸，直至合成目标肽链。
使用含有三氟乙酸(TFA)的切割液将肽链从树脂上切下，经过HPLC进行纯化，冻干保存，并通过质谱进行分析。
硫化铜纳米点(CuS NDs)由简单的“一锅法”制得，最大吸收波长为980nm，粒径为9nm，电位为-14mV。
具体制备方法为：将CuCl2·2H2O和聚乙烯吡咯烷酮(分子量24000)加入去离子水中搅拌，得到清澈的溶液。在搅拌下加入30mg的Na2S·9H2O。然后，将溶液加热至90℃，搅拌15min，得到深绿色纳米分散体。在去离子水中透析后，得到硫化铜纳米点(CuS NDs)
抗菌多肽水凝胶包裹光热剂硫化铜纳米点(CuS NDs)的成胶条件简单，性质稳定，具体方法为：
将CuS NDs溶于盐溶液中，混合均匀，然后将提纯冻干后的抗菌水凝胶粉末加入其中，超声助溶，多肽溶液浓度为20mg/mL，37℃静置便可制得。
本发明所得的抗菌多肽水凝胶全部由氨基酸构成，溶解在盐溶液中便可自发组装成水凝胶，能够很好地模仿天然细胞外基质，具有良好的生物相容性与可降解性。光热剂硫化铜纳米点制备工艺简单，成本低廉，优异的光热转换性能可进一步提升抗菌水凝胶的抗菌效果，用于细菌感染伤口的创面敷料具有巨大潜力。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明制得的抗菌多肽水凝胶不仅具有内在的广谱抗菌活性，而且还保留了水凝胶在组织再生方面的优势，可以持续作用于细菌感染伤口表面达到杀菌、保湿等促进创面愈合的积极作用。
2、本发明引入光热剂硫化铜纳米点进行PTT抗菌，在近红外光的照射下产生局部高温，导致细菌损伤和死亡，与抗菌水凝胶产生协同作用，使得杀菌效果得到进一步的提升。
3、本发明公开的制备工艺简单，成本低廉，反应条件温和，适于大规模推广使用。
附图说明：
图1为抗菌多肽水凝胶的HPLC图。
图2为抗菌多肽水凝胶的质谱图。
图3为抗菌多肽水凝胶成胶实验图。
图4为抗菌多肽水凝胶的频率扫描分析图。
图5为抗菌多肽水凝胶的阶跃应变分析图。
图6为抗菌多肽水凝胶酰胺-I带红外光谱图。
图7为CuS NDs的粒径分布图。
图8为CuS NDs的7天粒径变化图。
图9为CuS NDs和水凝胶的电位图。
图10为CuS NDs经红外光照射前后紫外吸收图。
图11为不同浓度CuS NDs的光热升温图。
图12为水凝胶包裹CuS NDs的光热升温图。
图13为不用浓度抗菌多肽水凝胶对S.aureus的杀菌效果图。
图14为不用浓度抗菌多肽水凝胶对E.coil的杀菌效果图。
图15为不同体系下的S.aureus的杀菌效果图。
图16为S.aureus生物膜抑制实验图。
图17位S.aureus生物膜破坏实验图。
图18为抗菌多肽水凝胶对S.aureus生长曲线的影响图。
图19为抗菌多肽水凝胶对S.aureus作用前后的Live/Dead染色图。
图20为抗菌多肽水凝胶对HUVEC的细胞毒性图。
图21为水凝胶对S.aureus感染小鼠伤口模型的治疗图。
图22为动物伤口组织涂板图。
图23为对比实施例1抗菌多肽水凝胶对S.aureus的杀菌效果图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行详细阐述，但不局限于这些实施例。
实施例1
1.抗菌多肽水凝胶的合成
抗菌多肽水凝胶序列是以化学修饰的α-氨基酸为原料，ChemMatrix树脂为载体，通过Fmoc固相合成法合成。具体为：分别称取树脂5倍摩尔当量的氨基酸、缩合剂HBTU、HOBt溶于适量DMF中，充分溶解后加入DIEA与树脂交联30min；然后加入20％哌啶(体积比，哌啶：DMF＝1：4)反应30min切除Fmoc保护基。每步均使用茚三酮溶液进行颜色检验，重复步骤直至目标肽链合成完毕。
以200mg树脂为例，DMF的体积为4mL，DIEA的体积为400μL。
目标肽链使用切割液(体积比，TFA：EDT：TIS：H2O＝94：2.5：1：2.5)从树脂上分离，冰乙醚沉淀后溶于超纯水，经HPLC纯化收集产物峰，冻干后通过LC-MS确定分子量。HPLC纯化图和质谱图见附图1和附图2。
2.抗菌多肽水凝胶的成胶实验
取冻干后的多肽粉末分别溶于水和盐溶液(浓度为0.9％的NaCl溶液，即生理盐水)中，多肽浓度均为20mg/mL，超声助溶，37℃静置。采用小瓶倒置法验证成胶效果，结果见附图3(左为水溶液，右为盐溶液)。
3.抗菌多肽水凝胶机械性能的表征
使用旋转流变仪，夹具平板直径为40mm，夹具与测试台的间隙为500μm，温度设定37℃，胶体上样。
(1)频率扫描测试
扫描频率范围设定为1-100Hz，张力为1％，测试胶体力学性能与扫描频率的关系变化。结果如附图4所示，由图可知在1-100Hz频率内，水凝胶的储存模量始终大于损耗模量，证明其一直处于稳定的固体形态。
(2)阶跃应变测试
首先以0.1％的低恒定应变测试前100s，然后在40％的较高应变下破坏水凝胶基质。此后，将应变重新调整到0.1％的恒定低水平，重复三个周期。结果如附图5所示，由图可知水凝胶从低应变到高应变的过程中，两种模量都随之下降，证明其具有显著的剪切稀变能力，并且三个循环后撤掉高应变水凝胶都能恢复到原始强度，表明其具有良好的自愈能力。
4.抗菌多肽水凝胶的红外光谱表征
将多肽水凝胶冻干后，使用近红外光谱仪收集其在酰胺-I区的FTIR光谱，结果见附图6。由图可知多肽水凝胶在酰胺-I区有两个非常强的峰，表明凝胶分子之间存在反平行的β-折叠结构。
5.CuS NDs的合成及表征
(1)CuS NDs的合成
将21mg CuCl2·2H2O和60mg聚乙烯吡咯烷酮(分子量24000)加入5mL去离子水中搅拌，得到清澈的溶液。然后，在搅拌下加入30mg的Na2S·9H2O。然后，将溶液加热至90℃，搅拌15min，得到深绿色纳米分散体。在去离子水中透析后，得到了硫化铜纳米点(CuS NDs)。
(2)CuS NDs的水合粒径及稳定性测定
取20μL CuS NDs材料，用超纯水稀释至2mL。其中1mL用于测定水合粒径，1mL室温下静置7天后再做测定。每组样品平行测定三次，结果见附图7、8。由附图7可知，CuS NDs的水合粒径主要分布在9nm左右，分散良好；图8显示静置7天后CuS NDs的粒径基本无变化，表明其具有极好的稳定性。
(3)CuS NDs及其水凝胶包裹后Zeta电位的测定
将CuS NDs和凝胶包裹的CuS NDs稀释相同倍数，经0.22μm水系滤膜过滤后分别测定其Zeta电位，结果见附图9。由图可知，单独CuS NDs的电位在-14mV左右，经与多肽水凝胶包裹混合后电位变化至+12mV左右。
(4)CuS NDs的紫外吸收光谱及光稳定性评估
取200μL CuS NDs溶液于96孔板中，使用近红外激光照射10min后于酶标仪采集其400-1000nm全波长吸收，未经光照的CuS NDs溶液作为对照组。结果见附图10，由图可知CuSNDs的最大吸收波长在980nm，并且经近红外光照射后其吸收并无明显下降，表明纳米粒子具有优良的光稳定性。
6.CuS NDs的光热性能测试
取200μL不同浓度的CuS NDs溶液(0mg/mL、0.5mg/mL、1.0mg/mL、1.5mg/mL、2mg/mL)于1mL离心管中，使用近红外激光照射(808nm，2.0W/cm2)6min，温度变化由热成像仪采集。结果见附图11，由图可知，CuS NDs具有良好的光热性能，升温效果与浓度呈正相关。
此外，为了探究水凝胶的包裹是否会对CuS NDs的升温效果产生影响，取1.5mg/mL浓度的CuS NDs包裹于水凝胶中，以空白水凝胶作为对照，采用相同功率的近红外光照射6min。结果见附图12，由图可知，空白水凝胶在近红外激光照射下并无升温效果，而包裹了CuS NDs的水凝胶升温曲线与相同浓度的单独CuS NDs基本相似，表明水凝胶的包裹并不会对CuS NDs的升温产生显著影响。
7.抗菌多肽水凝胶的体外抗菌实验
为了探究抗菌多肽水凝胶的广谱抗菌效果，分别采用革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌(S.aureus)和革兰氏阴性菌大肠杆菌(E.coil)对其进行MIC90值的测定。具体方法为：取1mL处于对数生长期的菌液与250μL不同浓度的样品溶液共同孵育1h，PBS作阴性对照，稀释103后取100μL进行涂板，然后放入培养箱中37℃培养15小时后对琼脂板上的细菌菌落数进行记数，每个样品浓度平行测定三次。
S.aureus与E.coil的抗菌效果分别见于附图13、14，由图可知对两种细菌的抗菌活性都与抗菌多肽水凝胶的浓度呈正相关，35μM时便可达到对金黄色葡萄球菌90％的杀伤效果，特别地是，对大肠杆菌的杀伤效果要优于金黄色葡萄球菌，在10μM左右时便可完全抑制其生长。
8.水凝胶包裹CuS NDs的体外光热抗菌测定
为了验证CuS NDs对抗菌多肽水凝胶产生的协同抗菌效果，取水凝胶的MIC50浓度为对照，加入1.5mg/mL的CuS NDs进行体外光热抗菌实验。结果见附图15，由图可知在加入CuS NDs后，即使不进行近红外光的照射也可大幅度提升抗菌多肽水凝胶的抗菌效果，相比于PBS组仅有少量菌落存活。而经激光照射后，抗菌能力进一步提升，琼脂平板上已无菌落产生，良好的体外光热抗菌性能为下一步的活体应用奠定了基础。
9.复合水凝胶抑制/破坏细菌生物膜实验
(1)抑制生物膜实验
取96孔板，在孔中加入50μL抗菌多肽水凝胶待其静置成胶，紫外灯下杀菌12h，加入3μL处于对数生长期的S.aureus悬液，加入200μL TSB培养基，50μL PBS溶液作为对照，每组设置三个平行组，置于37℃培养箱培养48h。培养结束后，轻轻吸取上层TSB培养基，并用灭菌PBS轻轻清洗三遍，待其风干后每孔加入100μL 1％的结晶紫静置染色10min。然后轻轻吸走上层结晶紫，加入灭菌PBS清洗三遍，再加入80％的乙醇在摇床上37℃震荡溶解2h，将每孔稀释后于酶标仪测定590nm处的吸收值。结果见附图16，由图可知抗菌多肽水凝胶基本上可以抑制生物膜的形成。
(2)生物膜破坏实验
取96孔板，在孔中加入200μL TSB培养基，再加入3μL处于对数生长期的S.aureus悬液，设置3个实验组，每组设置三个平行组，置于37℃培养箱培养48h以形成生物膜。将装载有CuS NDs的水凝胶灭菌后加入孔中，近红外光(808nm，2W/cm2)照射6min后放入培养箱中继续培养1h，对照组分别为PBS和空白抗菌水凝胶。培养结束后轻轻吸取上层TSB培养基，并用灭菌PBS轻轻清洗三遍，待其风干后每孔加入100μL 1％的结晶紫静置染色10min。然后轻轻吸走上层结晶紫，加入灭菌PBS清洗三遍，再加入80％的乙醇在摇床上37℃震荡溶解2h，将每孔稀释后于酶标仪测定590nm处的吸收值。结果见附图17，由图可知空白水凝胶仅能破坏一半的生物膜，而CuS NDs经激光照射后产生的高温则可以协同水凝胶进一步消除生物膜。
10.抗菌多肽水凝胶对S.aureus生长曲线的影响
为了探究抗菌多肽水凝胶对细菌生长的影响，取96孔板加入50μL抗菌多肽水凝胶待其静置成胶，紫外灯下杀菌12h后加入150μL S.aureus菌液(细菌浓度为105CFU/mL)，PBS为对照组，每组做三个平行样。使用酶标仪连续12小时测定每孔在600nm处的吸光度值，以评估抗菌多肽水凝胶对细菌生长的影响。结果见附图18，由图可知PBS组的OD600值在12h后达到1.8左右，而水凝胶组的OD600值基本处于平稳，对比可知水凝胶对细菌的生长有显著的抑制效果。
11.Live/Dead细菌染色测定
取1mL S.aureus菌液冷冻离心(5000rpm，4℃，5min)，弃去上清后向沉淀中加入200μL灭菌PBS重悬，然后向菌液中加入50μL水凝胶摇床37℃孵育1h，对照组为PBS。孵育结束后冷冻离心，弃去上清，沉淀加入30μL Live/Dead试剂染色，吹打均匀、涡旋后避光静置20min，最后取20μL样品滴在玻片上，用倒置荧光显微镜观察。结果见附图19。
染色试剂中的STYO 9染料会将有完整细胞膜的细菌染成绿色，而没有完整细菌细胞膜DNA就会被PI染成红色。由图像可知，水凝胶温育的S.aureus全部被染成了红色，而与PBS共培养的S.aureus基本无红色荧光。该结果表明了水凝胶的抗菌机制涉及的细菌细胞壁和细胞膜破坏。
12.抗菌多肽水凝胶的生物相容性实验
使用MTT法对人脐静脉内皮细胞(HUVEC)进行生物相容性实验。首先将HUVEC细胞消化，计数，按每孔104细胞铺板，边缘孔用PBS填充，隔夜培养，样品灭菌后分不同浓度(0、3、6、12、24、36、48μM)与细胞共孵育，24h后加入MTT溶液处理，通过酶标仪测定490nm处的吸光度值来评估细胞存活率。结果见附图20，由结果可知水凝胶浓度在48μM时，细胞存活率依旧大于80％，结合水凝胶的最小抑菌浓度，表明抗菌水凝胶在有效抑制细菌生长的同时还可以保持正常细胞的生理活性。
13.小鼠细菌感染伤口治疗实验
使用外科手术的方法在Balb/c小鼠背部创建全层伤口，由于小鼠皮下存在人类不存在的肌腱膜，因此鼠类的伤口收缩比人类迅速。因此，我们在小鼠伤口上缝合了抗收缩环来防止其伤口收缩，以减少实验结果的误差，接着在伤口上接种S.aureus菌液2天原位感染形成生物膜。将小鼠分为3组分笼饲养：一组为PBS组，每日向伤口滴加100μL的PBS溶液作为对照组，持续五天；一组为水凝胶组，每日在伤口外敷100μL的空白水凝胶作为实验组，持续五天；一组为复合水凝胶+光照组，每日在伤口外敷100μL的装载CuS NDs的水凝胶，并使用808nm的近红外光(2W/cm2)照射6min，同时使用热成像仪进行温度检测，使温度保持在45℃左右，以防止高温损伤小鼠正常组织，持续五天。
每组治疗五天后小鼠伤口结痂，停止治疗，饲养观察至11天后处死小鼠，取伤口组织浸入3mL PBS溶液中，研碎孵育30min后吸取100μL进行涂板，放入培养箱37℃培养15h，对菌落数进行计量。伤口图片及组织涂板结果分别见附图21、22。由图结果可知，相比于PBS组，其余两组小鼠伤口上的生物膜均可不同程度的消除，根据组织涂板结果可以更直观地看出水凝胶对感染伤口细菌的清除率在60％以上，而经过光热治疗的小鼠伤口细菌已被完全清除，达到了最好的治疗效果。
对照例1
将本发明的抗菌肽序列GIIKKIIKKIIKKI换成QAK，即使浓度增大至10mM，金黄色葡萄球菌的存活率依旧在50％以上(约为65％)，见附图23。

Claims (5)

1.一种用于细菌感染伤口的创面敷料的具有光热性能的抗菌水凝胶，其特征在于，所述具有光热性能的抗菌水凝胶由抗菌水凝胶和光热剂硫化铜纳米点（CuS NDs）组成；抗菌水凝胶的氨基酸序列为RADARADARADARADAGGIIKKIIKKIIKKI，
其中，RADARADARADARADA为水凝胶序列，GIIKKIIKKIIKKI为抗菌肽；所述抗菌水凝胶在近红外光的照射下，用于细菌感染伤口的创面敷料。
2.根据权利要求1所述的具有光热性能的抗菌水凝胶，其特征在于，所述抗菌水凝胶使用ChemMatrix树脂，由Fmoc固相合成法制得。
3.根据权利要求1所述的具有光热性能的抗菌水凝胶，其特征在于，所述硫化铜纳米点（CuS NDs）最大吸收为980 nm，粒径为9 nm，电位为-14 mV。
4.根据权利要求1或3所述的具有光热性能的抗菌水凝胶，其特征在于，硫化铜纳米点（CuS NDs）的制备方法为：将CuCl2·2H2O和聚乙烯吡咯烷酮加入去离子水中搅拌，得到清澈的溶液，在搅拌下加入Na2S·9H2O，然后，将溶液加热至90℃，搅拌15 min，得到深绿色的纳米分散体，在去离子水中透析后，得到硫化铜纳米点（CuS NDs）。
5.一种根据权利要求1所述的具有光热性能的抗菌水凝胶的制备方法，其特征在于，将CuS NDs溶于盐溶液中，混合均匀，然后将提纯冻干后的抗菌水凝胶粉末加入其中，超声助溶，37℃静置制得具有光热性能的抗菌水凝胶。
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