CN116173203A - 兼具光热效应和抗氧化的抗菌纳米材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种兼具光热效应和抗氧化的抗菌纳米材料及其制备方法。所述方法以儿茶酚改性的壳聚糖聚合物为碳源，经高温热解制得儿茶酚改性的壳聚糖碳化聚合物点。本发明的儿茶酚改性的壳聚糖碳化聚合物点可作为抗菌纳米材料，在除自身固有抗菌活性外可在近红外光照射下快速升温同时兼具清除自由基性能，可作为多功能抗菌纳米材料。
Description
技术领域
本发明属于纳米抗菌材料领域，涉及一种兼具光热效应和抗氧化的抗菌纳米材料及其制备方法。
背景技术
目前，治疗细菌感染疾病的主要手段是抗生素，然而由于长期过度的使用抗生素引发了多重耐药细菌的产生，对患者的生命健康构成了严重的威胁，因此迫切需要研发优良的新型抗菌剂来替代传统抗生素以解决细菌耐药性难题。纳米抗菌材料以其渗透能力强、杀菌效率高、不易产生耐药性等特点引起了研究者的广泛关注。但是，纳米抗菌材料目前也存在着一些问题，如制备成本高、功能单一等。大多数纳米抗菌材料自身不具备光热效应和抗氧化功能，需要复杂的组装和改性以达到多功能性。然而繁琐的制备步骤和多种成分的加入常导致较高的成本。因此，开发一种制备方便且兼具光热效应和抗氧化的抗菌纳米材料以应对复杂的细菌感染疾病对人类生命健康具有重要意义。
近年来，碳点纳米抗菌材料凭借优异的生物相容性和低制备成本备受抗菌领域的学者青睐。碳点表面基团丰富易于修饰，抗菌碳点被设计成表面带正电荷的纳米粒子，通过静电作用破坏细菌细胞膜。
壳聚糖是一种生物相容性优异的抗菌材料，广泛应用于生物医学领域。但已报道的水热法制备的壳聚糖碳点抗菌活性较差，无法应用于细菌感染治疗(10.1039/c1cc15678k， 10.1016/j.cej.2020.126353)。此外，研究表明具有邻二苯酚结构的碳点表现出优异的光热转换性能，但大多数具有光热效应的碳点自身不具备抗菌活性(10.1002/admi.202100332， 10.1186/s11671-018-2711-2)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种兼具光热效应和抗氧化的抗菌纳米材料及其制备方法。本发明的抗菌纳米材料除自身固有抗菌活性外，还可在近红外光照射下光热治疗同时兼具清除自由基性能。
实现本发明目的的技术解决方案如下：
兼具光热效应和抗氧化的抗菌纳米材料的制备方法，包括如下步骤：将儿茶酚改性的壳聚糖聚合物的水溶液于160～200℃下高温热解，热解完成后，加水离心，取上清液过滤纯化，冷冻干燥得到儿茶酚改性的壳聚糖碳化聚合物点(CPDs)。
优选地，所述的儿茶酚改性的壳聚糖聚合物通过如下步骤制备：将壳聚糖和3,4-二羟基苯甲醛加入到乙酸溶液中，搅拌至混合均匀，加入硼氢化钠，调节pH值至8，将形成的白色絮状物溶解到稀盐酸溶液中，透析并冷冻干燥，得到儿茶酚改性的壳聚糖聚合物。
优选地，所述的儿茶酚改性的壳聚糖聚合物的水溶液中，儿茶酚改性的壳聚糖聚合物与水的质量比为1：10～40，优选为1：20。
优选地，热解时间为120～300min，优选为180min。
优选地，热解温度为180℃～190℃。
优选地，高温热解过程中的升温速度为2～6℃/min，优选为4℃/min。
优选地，离心条件为8000～15000r/min离心10分钟，优选为10000r/min离心10分钟。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：。
本发明制得的儿茶酚改性的壳聚糖碳化聚合物点自身具有优异的抗菌活性，能有效抑制金色葡萄球菌，此外在光热辅助治疗下能显著提升对大肠杆菌的抗菌活性。在具有广谱抗菌活性的同时，该碳化聚合物点可清除过量的自由基。
附图说明
图1为实施例1中的儿茶酚改性的壳聚糖聚合物、壳聚糖以及3,4-二羟基苯甲醛的红外光谱对比图。
图2为实施例1中不同温度制得的儿茶酚改性的壳聚糖碳化聚合物点以及原料的红外光谱对比图。
图3为实施例1中儿茶酚改性的壳聚糖碳化聚合物点的(a)TEM图和(b)水合粒径分布图。
图4为实施例1制得的儿茶酚改性的壳聚糖碳化聚合物点、去离子水以及原料在808 nm近红外激光(1.5W/cm2)照射10分钟的温度变化图。
图5为清除自由基实验图，(a)检测试剂DPPH与不同浓度儿茶酚改性的壳聚糖碳化聚合物点混合30分钟后紫外吸收曲线对比图；(b)不同浓度儿茶酚改性的壳聚糖碳化聚合物点自由基清除效率。
图6为抗菌动力学实验图，(a)儿茶酚改性的壳聚糖碳化聚合物点以及光热辅助下与细菌接触不同时间的细菌存活情况；(b)平板计数计算得到的细菌存活率曲线。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。
本发明所述的儿茶酚改性的壳聚糖聚合物的制备参考文献(Yavvari P S,Srivastava A. Robust,self-healing hydrogels synthesised from catechol richpolymers[J].J Mater Chem B, 2015,3(5):899-910.)，采用还原反应合成儿茶酚改性的壳聚糖聚合物，具体为：
称取2g壳聚糖(CS)溶解于1％的乙酸溶液中，而后加入2mL乙酸。再称取1.8g 3,4-二羟基苯甲醛(DBH)溶解在20mL甲醇和40mL去离子水混合溶液中。将上述两溶液混合，在25℃条件下反应3h。结束后在剧烈搅拌下缓慢加入过量的硼氢化钠使得溶液的pH 值等于8。将白色的絮状物取出后溶解到稀盐酸溶液中，用稀盐酸调节pH至5。溶解后将最终的产物装入分子量为14k Da的透析袋中，在0.5N稀盐酸溶液中透析12小时，再用 0.5％乙酸溶液透析一天，每隔12小时换一次乙酸溶液。最后待透析结束，将产物冷冻干燥，得到淡棕色蓬松固体，即儿茶酚改性的壳聚糖聚合物(DFC)。
实施例1
采用热解法合成儿茶酚改性的壳聚糖碳化聚合物点(CPDs)：称取0.15g儿茶酚改性的壳聚糖聚合物溶解于3mL去离子水中。将溶液加入坩埚中，设置箱式炉目标温度180℃，升温速率4℃/min，保温时间180min。待自然冷却后，取出坩埚，加入适量去离子水浸泡，提取碳化聚合物点，将得到的混浊液在10000r/min离心10分钟，然后提取上清液并用0.22 μm的滤头过滤，冷冻干燥，制得儿茶酚改性的壳聚糖碳化聚合物点(CPDs)。
实施例2
本实施例同实施例1，唯一不同的是热解温度为160℃。
实施例3
本实施例同实施例1，唯一不同的是热解温度为170℃。
实施例4
本实施例同实施例1，唯一不同的是热解温度为190℃。
实施例5
本实施例同实施例1，唯一不同的是热解温度为200℃。
采用傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)对实施例1中第一步所制备的材料进行结构测试。从图1发现，3,4-二羟基苯甲醛中的儿茶酚结构已成功接枝到壳聚糖主链。
采用傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)对实施例1～5中第二步所制备的材料进行结构表征。图2可知，儿茶酚改性的壳聚糖碳化聚合物点对合成前驱体具有结构保留特性，但随着温度升高而过度碳化，前驱体官能团消失。
表1中可以看出实施例1～5中所制得儿茶酚改性壳聚糖碳化聚合物点在pH＝7.4和5.5 条件下对S.aureus和E.coli的最小抑菌浓度值(MIC)如下表。从中可以发现，热解生成 CPDs相比于原料DFC抑菌效果有了明显的提升。随着温度的升高CPDs的MIC值呈现先减小后增大的趋势，这是由于当温度过高时CPDs表面残余基团会消失，从而导致抗菌能力下降。
表1为实施例1～5制得的儿茶酚改性的壳聚糖碳化聚合物点对金黄色葡萄球菌(S.aureus)和大肠杆菌(E.coli)的最小抑菌浓度。
表1
在透射电子显微镜(TEM)下观察按照实施例1所制得样品的形貌特征。从图3可知，儿茶酚改性的壳聚糖碳化聚合物点整体形貌呈准球状分散。由纳米粒度仪测得其水合粒径平均为22.4nm。
采用808nm近红外激光对实施例1中所制得儿茶酚改性壳聚糖碳化聚合物点溶液进行光热转换性能测试。从图4可知，儿茶酚改性的壳聚糖碳化聚合物点具有明显的光热转化效果，且随着浓度的上升光热转换能力逐渐增强。在CPDs浓度为1.25、2.5和5.0mg/mL时，CPDs溶液的温度在10min内分别升高了12.9、21.7和32.2℃。相比之下，在相同条件下，H2O、DFC的温度几乎没有变化(ΔT<6℃)，表明未碳化前DFC不具备光热效应。
图5可以看出，按照实施例1中所制得儿茶酚改性壳聚糖碳化聚合物点能够有效的清除自由基，且随着浓度的增加自由基清除效果逐渐提高，而未加入CPDs的DPPH溶液保持较高的自由基浓度。
图6可以看出，按实施例1所制得儿茶酚改性壳聚糖碳化聚合物点，在自身固有抗菌活性和光热辅助治疗条件下具有广谱的抗菌效果。儿茶酚改性壳聚糖碳化聚合物点本身在对抗S.aureus时不需要外在光热条件就能达到优异的杀菌效果，而对抗E.coli时需要近红外光辅助以达到较好较快的抗菌效果。
Claims (10)
1.兼具光热效应和抗氧化的抗菌纳米材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将儿茶酚改性的壳聚糖聚合物的水溶液于160～200℃下高温热解，热解完成后，加水离心，取上清液过滤纯化，冷冻干燥得到儿茶酚改性的壳聚糖碳化聚合物点。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的儿茶酚改性的壳聚糖聚合物通过如下步骤制备：将壳聚糖和3,4-二羟基苯甲醛加入到乙酸溶液中，搅拌至混合均匀，加入硼氢化钠，调节pH值至8，将形成的白色絮状物溶解到稀盐酸溶液中，透析并冷冻干燥，得到儿茶酚改性的壳聚糖聚合物。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的儿茶酚改性的壳聚糖聚合物的水溶液中，儿茶酚改性的壳聚糖聚合物与水的质量比为1：10～40。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的儿茶酚改性的壳聚糖聚合物的水溶液中，儿茶酚改性的壳聚糖聚合物与水的质量比为1：20。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，热解时间为120～300min。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，热解时间为180min。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，热解温度为180℃～190℃。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，高温热解过程中的升温速度为2～6℃/min，优选为4℃/min。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，离心条件为8000～15000r/min离心10分钟，优选为10000r/min离心10分钟。
10.根据权利要求1-9任一所述的制备方法制得的抗菌纳米材料。
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-
2021
- 2021-11-26 CN CN202111425417.9A patent/CN116173203A/zh active Pending
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