CN113995712A - 抑菌zif材料的制备方法、抑菌微针及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抑菌ZIF‑8材料的制备方法。该制备方法包括步骤S1、将锌盐、2‑甲基咪唑、葡萄糖氧化酶与亚铁盐在含水溶剂中进行接触,产生负载葡萄糖氧化酶的ZIF‑8材料;和步骤S2、将所述负载葡萄糖氧化酶的ZIF‑8材料与刻蚀剂溶液进行接触。本发明还公开了一种抑菌微针,其包括通过该制备方法制备的抑菌ZIF材料。本发明的抑菌微针,制备方法条件温和,方法简单,可以实现葡萄糖响应型的抑菌治疗效果,即根据人体中不同血糖浓度释放不同量的活性氧来杀菌并促进伤口愈合的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种抑菌ZIF材料的制备方法、抑菌微针及其制备方法。
背景技术
对于慢性伤口的感染问题,目前广泛采用的是使用抗生素进行治疗,但这也导致了抗生素的滥用,并且使得越来越多的细菌产生了抗药性。并且,细菌感染会使得伤口处形成菌膜,阻止活性分子进入病灶深处,进一步降低了治疗效果。对于糖尿病人来说,除细菌感染以外,血糖浓度异常也是糖尿病病人慢性伤口难以愈合的重要原因。因此,亟需新的治疗手段来进行糖尿病病人身上受感染的慢性伤口的治疗。
活性氧有着强氧化性,可以在避免细菌产生抗药性的同时对细菌有着很好的杀伤效果,因此,被越来越多的研究人员将其应用于抑菌领域。同时,微针作为一种新兴的微创透皮给药工具也受到人们广泛的关注。微针的针头长度一般短于1.0mm,这样的长度使得微针可以不触碰痛觉神经的条件下刺破皮肤的表层,给药物的运输创建通道,实现微创无痛治疗。
文献1(Angew.Chem.Int.Ed.2019,58,4911-4916)公开了一种类辣根过氧化氢酶的无机纳米抑菌材料。当该材料作用于伤口表面时,在外加过氧化氢溶液的条件下,可以分解过氧化氢产生活性氧,从而达到抑菌的效果。但是该方法需外加过氧化氢溶液,操作繁琐,给病人带来不便;同时,该材料的治疗方式是直接滴于创口表面,没有被破坏的菌膜会在一定程度上限制其疗效。
文献2(Chem.Commun.,2019,55,171-174)提出了一种使用负载银纳米颗粒的微针来治疗细菌感染的方法。结果表明,当银纳米颗粒负载进微针之中时,其抑菌效果要好于未负载进微针之中时的抑菌效果。其主要原因可以归结于微针对于菌膜有着破坏的作用,可以使银纳米颗粒进入伤口深处。
然而,专门针对糖尿病病人身上受感染的慢性伤口的葡萄糖响应型微针还鲜有报道。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明的第一个目的是提供一种抑菌ZIF材料的制备方法;第二个目的是提供一种抑菌微针;第三个目的是提供一种抑菌微针的制备方法。
在第一方面,本发明提供了一种抑菌ZIF材料的制备方法,其包括:步骤S1、将锌盐、2-甲基咪唑、葡萄糖氧化酶与亚铁盐在含水溶剂中进行接触,产生负载葡萄糖氧化酶的ZIF-8材料;和步骤S2、将所述负载葡萄糖氧化酶的ZIF-8材料与刻蚀剂溶液进行接触。
根据本发明的一些实施方式,所述锌盐包括醋酸锌、氯化锌、硝酸锌、硫酸锌中的一种或多种。
根据本发明的一些实施方式,所述亚铁盐包括氯化亚铁、硫酸亚铁、醋酸亚铁、硝酸亚铁中的一种或多种。
根据本发明的一些实施方式,步骤S1中,所述锌盐与所述亚铁盐的摩尔比为99:1至50:50,优选为90:10至98:2,例如97:3。
根据本发明的一些实施方式,锌盐与亚铁盐投料之和与2-甲基咪唑的投料摩尔比为1:7~1:100,优选为1:60至1:80,例如1:70。
根据本发明的一些实施方式,所述负载葡萄糖氧化酶的ZIF-8材料中,葡萄糖氧化酶的质量含量为0.1-10%,优选为0.5-1.5%。
根据本发明的一些实施方式,所述刻蚀剂溶液包含单宁酸,优选所述单宁酸的浓度为10-30mg/mL。
根据本发明的一些实施方式,所述负载葡萄糖氧化酶的ZIF-8材料与单宁酸的质量比为(0.01-100):1,优选为(0.1-10):1,更优选为(0.25-4):1。
根据本发明的一些实施方式,步骤S1中,所述接触的温度为20-40℃,优选为25-35℃。
根据本发明的一些实施方式,步骤S1中,所述接触的时间为6-24小时,优选为8-18小时,进一步优选为10-15小时。
根据本发明的一些实施方式,步骤S2中,所述接触的温度为20-40℃,优选为25-35℃。
根据本发明的一些实施方式,步骤S2中,所述接触的时间为1-60分钟,优选1-10分钟,更优选1-5分钟。在一些实施例中,所述接触的时间为1-3分钟,优选1.5-2.5分钟。
在第二方面,本发明提供了一种抑菌微针,该抑菌微针包括通过本发明第一方面所述的制备方法制备的抑菌ZIF材料。
根据本发明的一些实施方式,所述微针还包括聚乙烯吡咯烷酮与聚乙烯醇。
根据本发明的一些实施方式,所述微针中,聚乙烯吡咯烷酮与聚乙烯醇的质量比为1:99至99:1,优选1:2至10:1,更优选2:3至5:1。在一些实施例中,聚乙烯吡咯烷酮与聚乙烯醇的质量比为3:1。
根据本发明的一些实施方式,所述聚乙烯吡咯烷酮的分子量为8000-130万道尔顿(Da),优选为20万-50万Da。
根据本发明的一些实施方式,所述聚乙烯醇的分子量为1.5万-20万Da,优选为3万-5万Da。
根据本发明的一些实施方式,所述微针为四棱锥结构,垂直高度为500.0~800.0μm,四棱锥底座直径为200.0~400.0μm;优选地,微针的垂直高度为730μm,四棱锥底座直径为320μm。
在第三方面,本发明提供了一种上述抑菌微针的制备方法,其包括如下步骤:
(1)将抑菌ZIF-8材料分散于聚乙烯吡咯烷酮与聚乙烯醇的混合水溶液中,制备成混合溶液;
(2)将步骤(1)得到的混合溶液加入到微针模具中,干燥后脱模,制得抑菌微针。
根据本发明的一些实施方式,步骤(1)中所述聚乙烯吡咯烷酮与聚乙烯醇的混合水溶液中,聚乙烯吡咯烷酮与聚乙烯醇的质量含量为5-35%,优选为10-20%,更优选为12-16%。在一些实施例中,所述聚乙烯吡咯烷酮与聚乙烯醇的混合水溶液中,聚乙烯吡咯烷酮与聚乙烯醇的质量含量为5-35%。在一些实施例中,所述聚乙烯吡咯烷酮水与聚乙烯醇的混合溶液中,聚乙烯吡咯烷酮与聚乙烯醇的质量含量为10-20%,更优选为12-16%。
根据本发明的一些实施方式,所述聚乙烯吡咯烷酮与聚乙烯醇的混合溶液中,聚乙烯吡咯烷酮与聚乙烯醇的质量比为1:99至99:1,优选1:2至10:1,更优选2:3至5:1。在一些实施例中,聚乙烯吡咯烷酮与聚乙烯醇的质量比为3:1。
根据本发明的一些实施方式,步骤(2)中所述抑菌微针中,抑菌ZIF-8材料的质量含量为1-50%。在一些实施例中,所述抑菌微针中,抑菌ZIF-8材料的质量含量为3-10%。
根据本发明的一些实施方式,所述聚乙烯吡咯烷酮的分子量为8000-130万道尔顿(Da)。在一些实施例中,所述聚乙烯吡咯烷酮的分子量为20万-50万Da。
根据本发明的一些实施方式,所述聚乙烯醇的分子量为1.5万-20万Da。在一些实施例中,所述所述聚乙烯醇的分子量为3万-5万Da。
根据本发明的一些实施方式,步骤(2)中,利用抽真空的方法使混合溶液加入到微针模具中,优选地,抽真空时的真空度要达到-0.05Mpa至-0.10Mpa。
本发明的有益效果如下:
本发明在形成ZIF-8材料的步骤引入亚铁盐,从而得到预先掺杂铁的负载葡萄糖糖化酶的ZIF-8衍材料,而非在后续与单宁酸反应时或与单宁酸反应后引入。相比未掺杂铁以及在刻蚀步骤再引入亚铁盐,能够在不影响材料活性的情况下,缩短刻蚀的时间。
本发明的微针含有由具有等级孔结构的葡萄糖响应型抑菌ZIF-8材料与聚乙烯吡咯烷酮与聚乙烯醇。在作用于糖尿病病人身上受感染的慢性伤口后,微针中所含的具有等级孔结构的葡萄糖响应型的抑菌ZIF-8材料可以被快速释放,并在消耗葡萄糖的同时会释放具有抑菌作用的活性氧。由于其抑菌功能并非来源于抗生素,因此不用担心伤口处的细菌产生耐药性。微针中选用的均为生物相容性好的高分子材料。这种微针实现了将良好的抑菌功能与降低局部血糖的功能结合在一起,共同促进糖尿病病人身上受感染的慢性伤口的愈合,特别适用于糖尿病病人的慢性伤口感染的治疗。另外,本发明中的微针制备条件温和,制备工艺简单,特别适合大批量生产。
本发明提供的抑菌微针不含抗生素,并能够同时起到良好抑菌效果与降低局部血糖功能的治疗策略。
本发明的抑菌微针的制备方法条件温和,方法简单,可以实现葡萄糖响应型的抑菌治疗效果,即根据人体中不同血糖浓度释放不同量的活性氧来杀菌并促进伤口愈合的效果。
附图说明
图1为本发明实施例1的具有等级孔结构的葡萄糖响应型抑菌ZIF-8材料制备的流程图;
图2为本发明实施例1的微针制备的流程图;
图3为本发明实施例1的微针的数码示意图;
图4为本发明实施例1的微针中的所含的具有等级孔结构的葡萄糖响应型抑菌ZIF-8材料及其元素分布数码示意图;
图5为本发明实施例1的步骤(1)所得ZIF-8材料与步骤(2)所得的具有等级孔结构的葡萄糖响应型抑菌ZIF-8材料的氮气等温吸脱附曲线图;
图6为本发明实施例1的微针中的具有等级孔结构的葡萄糖响应型抑菌ZIF-8材料的MB降解示意图;
图7为本发明实施例1的微针的力学测试图;
图8为本发明实施例1的微针的所含的具有等级孔结构的葡萄糖响应型抑菌ZIF-8材料在实验室中的抑菌效果图;
图9为本发明实施例2的微针的数码示意图;
图10为本发明实施例3的微针的数码示意图。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步解释说明,但本发明的保护范围并不限于此。
本申请中,室温指25-30℃。
实施例1:
如图1和图2所示,本实施例的葡萄糖响应型抑菌微针的制备方法包括以下步骤:
(1)将2.0mg葡萄糖氧化酶,20.4mg醋酸锌,1.4mg氯化亚铁与1480.0mg 2-甲基咪唑在20.0mL去离子水中充分混合,室温下搅拌12小时;通过离心(12000.0rpm,5.0min),去离子水洗涤三次,冷冻干燥后得到负载葡萄糖糖化酶的ZIF-8材料,其中葡萄糖氧化酶含量为1.1wt%;
(2)将20.0mg步骤(1)得到的负载葡萄糖糖化酶的ZIF-8材料与1mL的浓度为15mg/mL的单宁酸溶液充分混合,室温下搅拌2分钟,通过离心(12000.0rpm,5.0min),去离子水洗涤三次,冷冻干燥后得到具有等级孔结构的葡萄糖响应型抑菌ZIF-8材料。
(3)将12.4mg步骤(2)得到的葡萄糖响应型抑菌ZIF-8材料与1470.0mg质量浓度为15.0%的聚乙烯吡咯烷酮(分子量为:360000.0Da)与聚乙烯醇(分子量为:31000.0~50000.0Da)的混合溶液(两者质量比为3:1)混合均匀,制备成混合溶液。
(4)将步骤(3)得到的溶液加入到PDMS微针模具中,通过抽真空,在-0.06MPa真空度下处理3分钟后,移除混合溶液中的气泡,之后将PDMS微针模具置于通风处自然风干,脱模后制得葡萄糖响应型抑菌微针。
如图3所示,微针由葡萄糖响应型抑菌ZIF-8材料和水溶性聚乙烯吡咯烷酮和聚乙烯醇混合形成。
如图4所示,本实施例所制得的微针中的葡萄糖响应型抑菌ZIF-8材料的粒径在500.0nm左右;另外元素分布图片也显示出该ZIF-8材料中存在着均匀分布的葡萄糖氧化酶。
如图5所示,本实施例步骤(1)所得ZIF-8材料的氮气等温吸附曲线表明其只含有微孔;而本实施例步骤(2)所得的ZIF-8材料在相对气压较低的区域较为稳定,表明在与单宁酸反应后,ZIF-8材料中的大部分微孔结构依旧存在,而在相对气压较大的区域有着明显的滞后回线,表明经过与单宁酸的反应,体系中出现了明显的介孔结构。这表明,我们成功制备出同时具有介孔和微孔结构的这样一种具有等级孔结构的葡萄糖响应型抑菌ZIF-8材料。这样的等级孔结构有助于底物葡萄糖的扩散,同时还使得客体生物大分子葡萄糖氧化酶处于相对自由的状态,从而提高整体反应的性能。
如图6所示,本实施例所制得的微针可以有效的降解MB。其原因在于,在葡萄糖的刺激下,ZIF-8材料内的葡萄糖氧化酶会发生反应并产生一定量的过氧化氢。之后,产生的过氧化氢会立即被分解为具有强氧化性的的活性氧,从而达到降解染料MB的效果。
如图7所示,本实施例所制得的微针的力学性能良好,微针在距离针尖380.0μm处形变时的应力达到0.0226N,足以刺破菌膜。
如图8d所示,本实施例所制得的葡萄糖响应型抑菌ZIF-8材料可以对处于高浓度的葡萄糖培养基中的细菌有着很好的抑菌效果。其原因在于,在葡萄糖的刺激下,MOF材料内的葡萄糖氧化酶会发生反应并产生一定量的过氧化氢。之后,产生的过氧化氢会立即被分解为对细菌有着强杀伤作用的活性氧,从而达到杀菌和抑菌的效果。同时,葡萄糖的浓度越高,抑菌效果就越好。各实验组分别为:(a)低浓度葡萄糖+没有ZIF-8抑菌材料、(b)高浓度葡萄糖+没有抑菌ZIF-8材料、(c)低浓度葡萄糖+抑菌ZIF-8材料、(d)高浓度葡萄糖+抑菌ZIF-8材料。
实施例2:
(1)将1.0mg葡萄糖氧化酶,21.5mg醋酸锌,0.4mg氯化亚铁与1480.0mg 2-甲基咪唑在20.0mL去离子水中充分混合,室温下搅拌12小时;通过离心(12000.0rpm,5.0min),去离子水洗涤三次,冷冻干燥后得到负载葡萄糖糖化酶的ZIF-8材料,其中葡萄糖氧化酶含量为0.5wt%;
(2)将20.0mg步骤(1)得到的负载葡萄糖糖化酶的ZIF-8材料与1mL的浓度为15mg/mL的单宁酸溶液充分混合,室温下搅拌2分钟,通过离心(12000.0rpm,5.0min),去离子水洗涤三次,冷冻干燥后得到具有等级孔结构的葡萄糖响应型抑菌ZIF-8材料。
(3)将12.4mg步骤(2)得到的葡萄糖响应型抑菌ZIF-8材料与2200.0mg质量浓度为10.0%的聚乙烯吡咯烷酮(分子量为:1300000.0Da)与聚乙烯醇(分子量为:15000.0Da)的混合溶液(两者质量比为2:1)混合均匀,制备成混合溶液。
(4)将步骤(3)得到的溶液加入到PDMS微针模具中,通过抽真空,在-0.06MPa真空度下处理3分钟后,移除混合溶液中的气泡,之后将PDMS微针模具置于通风处自然风干,脱模后制得葡萄糖响应型抑菌微针。
本实施例所制得的微针呈四棱锥型,微针的垂直高度为950.0μm,四棱锥底座直径为320.0μm。
实施例3:
本实施例的葡萄糖响应型抑菌微针的制备方法包括以下步骤:
(1)将3.0mg葡萄糖氧化酶,18.0mg醋酸锌,3.6mg氯化亚铁与1480.0mg 2-甲基咪唑在20.0mL去离子水中充分混合,室温下搅拌12小时;通过离心(12000.0rpm,5.0min),去离子水洗涤三次,冷冻干燥后得到负载葡萄糖糖化酶的ZIF-8材料,其中葡萄糖氧化酶含量为1.5wt%;
(2)将20.0mg步骤(1)得到的负载葡萄糖糖化酶的ZIF-8材料与1mL的浓度为15mg/mL的单宁酸溶液充分混合,室温下搅拌2分钟,通过离心(12000.0rpm,5.0min),去离子水洗涤三次,冷冻干燥后得到具有等级孔结构的葡萄糖响应型抑菌ZIF-8材料;
(3)将12.4mg步骤(2)得到的葡萄糖响应型抑菌ZIF-8材料与735.0mg质量浓度为30.0%的聚乙烯吡咯烷酮(分子量为:58000.0Da)与聚乙烯醇(分子量为:31000.0~50000.0Da)的混合溶液(两者质量比为4:1)混合均匀,制备成混合溶液。
(4)将步骤(3)得到的溶液加入到PDMS微针模具中,通过抽真空,在-0.06MPa真空度下处理3分钟后,移除混合溶液中的气泡,之后将PDMS微针模具置于通风处自然风干,脱模后制得葡萄糖响应型抑菌微针
本实施例所制得的微针呈四棱锥型,微针的垂直高度为770.0μm,四棱锥底座直径为320.0μm。
对比例1
与实施例1的不同之处在于步骤(1)和(2),具体如下:
(1)将2.0mg葡萄糖氧化酶,20.4mg醋酸锌,与1480.0mg 2-甲基咪唑在20.0mL去离子水中充分混合,室温下搅拌12小时;通过离心(12000.0rpm,5.0min),去离子水洗涤三次,冷冻干燥后得到负载葡萄糖糖化酶的ZIF-8材料,其中葡萄糖氧化酶含量为1.1wt%。
(2)将20.0mg步骤(1)得到的负载葡萄糖糖化酶的ZIF-8材料与1.4mg氯化亚铁、1mL的浓度为15mg/mL的单宁酸溶液充分混合,室温下搅拌2分钟,通过离心(12000.0rpm,5.0min),去离子水洗涤三次,冷冻干燥后得到抑菌ZIF-8材料。
其他步骤同实施例1。
发明人发现,不预先掺杂铁(即未在步骤(1)引入亚铁盐,而在步骤(2)引入亚铁盐),2分钟的刻蚀时间不够,并且刻蚀呈均匀的由外向内刻蚀,内部并没有被刻蚀到。而预先掺杂铁时,相同的时间,可以被刻蚀的更为彻底。
对比例2
与实施例1的不同之处在于步骤(1)和(2),具体如下:
(1)将2.0mg葡萄糖氧化酶,20.4mg醋酸锌,与1480.0mg 2-甲基咪唑在20.0mL去离子水中充分混合,室温下搅拌12小时;通过离心(12000.0rpm,5.0min),去离子水洗涤三次,冷冻干燥后得到负载葡萄糖糖化酶的ZIF-8材料,其中葡萄糖氧化酶含量为1.1wt%。
(2)将20.0mg步骤(1)得到的负载葡萄糖糖化酶的ZIF-8材料与1.4mg氯化亚铁、1mL的浓度为15mg/mL的单宁酸溶液充分混合,室温下搅拌10分钟,通过离心(12000.0rpm,5.0min),去离子水洗涤三次,冷冻干燥后得到抑菌ZIF-8材料。
其他步骤同实施例1。
发明人发现,不预先掺杂铁,而是在刻蚀时同步加入铁(即未在步骤(1)引入亚铁盐,而在步骤(2)引入亚铁盐),反应时间10分钟,与预先掺杂铁,反应时间2分钟相比,最终活性稍显降低。
实施例4
与实施例1的区别仅在于步骤(2):将20.0mg步骤(1)得到的负载葡萄糖糖化酶的ZIF-8材料与1mL的浓度为15mg/mL的单宁酸溶液充分混合,室温下搅拌10分钟,通过离心(12000.0rpm,5.0min),去离子水洗涤三次,冷冻干燥后得到抑菌ZIF-8材料。
其他步骤与实施例1相同。
发明人发现,铁预先掺杂的材料延长刻蚀时间到10分钟时,出现明显的边界,即壳层结构,不利于酶的催化反应,影响整体活性。
显然,本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定,对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动,这里无法对所有的实施方式予以穷举,凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种抑菌ZIF材料的制备方法,包括:
步骤S1、将锌盐、2-甲基咪唑、葡萄糖氧化酶与亚铁盐在含水溶剂中进行接触,产生负载葡萄糖氧化酶的ZIF-8材料;和
步骤S2、将所述负载葡萄糖氧化酶的ZIF-8材料与刻蚀剂溶液进行接触。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,
所述锌盐包括醋酸锌、氯化锌、硝酸锌、硫酸锌中的一种或多种;
所述亚铁盐包括氯化亚铁、硫酸亚铁、醋酸亚铁、硝酸亚铁中的一种或多种。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于,步骤S1中,所述锌盐与所述亚铁盐的摩尔比为99:1至50:50;所述负载葡萄糖氧化酶的ZIF-8材料中,葡萄糖氧化酶的质量含量为0.1-10%,优选为0.5-1.5%。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法,其特征在于,所述刻蚀剂溶液包含单宁酸,优选所述单宁酸的浓度为10-30mg/mL;
所述负载葡萄糖氧化酶的ZIF-8材料与单宁酸的质量比为(0.01-100):1,优选为(0.1-10):1更优选为(0.25-4):1。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法,其特征在于,步骤S1中,所述接触的温度为20-40℃,优选为25-35℃,所述接触的时间为6-24小时,优选为8-18小时,进一步优选为10-15小时;
步骤S2中,所述接触的温度为20-40℃,优选为25-35℃,所述接触的时间为1-60分钟,优选为1-10分钟,更优选为1-5分钟,进一步优选为1-3分钟。
6.一种抑菌微针,所述微针包括通过权利要求1-5中任一项所述的制备方法制备的抑菌ZIF材料。
7.根据权利要求6所述的抑菌微针,其特征在于,所述微针还包括聚乙烯吡咯烷酮与聚乙烯醇。
8.根据权利要求7所述的抑菌微针,其特征在于,所述聚乙烯吡咯烷酮的分子量为8000-130万Da,优选为20万-50万Da;所述聚乙烯醇的分子量为1.5万-20万Da,优选为3万-5万Da。
9.一种权利要求6-8中任一项所述的抑菌微针的制备方法,包括如下步骤:
(1)将抑菌ZIF-8材料分散于聚乙烯吡咯烷酮与聚乙烯醇的混合水溶液中,制备成混合溶液;
(2)将步骤(1)得到的混合溶液加入到微针模具中,干燥后脱模,制得抑菌微针。
10.根据权利要求9所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中,利用抽真空的方法使混合溶液加入到微针模具中,优选地,抽真空时的真空度要达到-0.05Mpa至-0.10Mpa。
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