CN116617257A - 碳基材料抑菌剂、其应用、抗菌组合物及抗菌药物 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳基材料抑菌剂、其应用、抗菌组合物及抗菌药物，该抑菌剂为采用包括环丙沙星、氯化铜二水合物、乙酸和超纯水在内的原料，通过一步水热法制备得到的掺铜碳点。本发明通过简单的水热法制备得到了一种以环丙沙星为前体、掺杂铜元素的碳基抗菌材料，该抗菌材料具有很高的水溶性，且高于环丙沙星溶解性；铜元素的掺杂能够进一步提高该抗菌材料对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的抗菌性能，其对大肠杆菌的最低抑菌浓度为2.5μg/mL左右，对金黄色葡萄球菌的最低抑菌浓度为5μg/mL左右；该碳基材料在抗菌方面具有良好的应用前景。

Description

碳基材料抑菌剂、其应用、抗菌组合物及抗菌药物
技术领域
本发明涉及医学与纳米材料领域，特别涉及一种碳基材料抑菌剂、其应用、抗菌组合物及抗菌药物。
背景技术
细菌感染已成为人类的重大威胁，带来了多种挑战，如多种疾病的出现，工业用品、食品和药品的分解。化学药物和抗菌剂是细菌和病毒疾病的主要临床治疗方法。然而，许多化学药物具有特定的生物毒性并破坏正常组织细胞。并且，大多数消毒剂具有极强的刺激性和毒性，导致接触性皮炎和粘膜刺激等健康并发症，其中一些由于细菌的适应性和耐药性而变得不那么有效。目前，抗生素在防治由病原菌引起的传染病方面发挥着重要作用。然而，许多抗生素的溶解度差，生物利用度低，需要经常大剂量使用，这导致耐药细菌的出现。随着抗药性细菌的不断出现，许多抗生素在治疗疾病方面的效果越来越差，这可能导致感染期延长、药物费用昂贵，甚至常见的细菌感染也会增加死亡率。为了应对新的复杂耐药微生物的出现，必须控制抗生素的使用。因此，迫切需要开发性能优越、毒性较小的替代性抗菌策略和抗菌剂，以预防和治疗感染。
碳点(CDs)是一种新型的碳基纳米材料，基于其独特的光学特性、优异的生物相容性、低毒性、低成本、易于修饰和功能化，碳点在生物医学领域有着广泛的应用，如生物成像、药物递送、生物传感器、癌症治疗和抗菌。碳点的合成路线通常简单、廉价且环保。其低毒和优异的水溶性特性有利于抗菌功能。
环丙沙星为合成的第三代喹诺酮类抗菌药物，具广谱抗菌活性，杀菌效果好，几乎对所有细菌的抗菌活性均较诺氟沙星及依诺沙星强2-4倍。具有优异的抗微生物活性和药代动力学特性，且几乎没有副作用。但耐药性病原体广泛传播使得环丙沙星越来越无效，因此开发新型抗菌药物势在必行。为了寻找新的抗菌药物，已经合成了许多环丙沙星衍生物，其中一些具有很好的疗效。氟喹诺酮表现出显著的抗菌活性、优异的药代动力学特性和很少的副作用。它被引入临床实践，用于治疗各种细菌感染，包括上呼吸道和下呼吸道感染，以及一些皮肤、骨骼、软组织感染，主要用于治疗对一线抗结核治疗产生耐药性或不耐受的结核病。在过去的30年中，已经开发了许多环丙沙星衍生物，其具有多种生物特性，如抗菌、抗结核、抗真菌、抗HIV、抗疟疾、抗肿瘤、抗缺血、抗氧化活性。因此，开发一种以环丙沙星为原料的纳米材料具有重要意义和广泛的应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种碳基材料抑菌剂、其应用、抗菌组合物及抗菌药物。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：本发明第一方面提供一种一种碳基材料抑菌剂，其特征在于，该抑菌剂为采用包括环丙沙星、氯化铜二水合物、乙酸和超纯水在内的原料，通过一步水热法制备得到的掺铜碳点。
优选的是，该碳基材料抑菌剂的制备方法包括以下步骤：
S1、将环丙沙星、氯化铜二水合物溶于乙酸和超纯水的混合物中，超声混匀；
S2、将步骤S1得到的溶液转移到反应釜中，加热下反应；
S3、反应结束后，待步骤S2得到的产物冷却至室温后透析，透析液在旋转蒸发仪上蒸干，得到所述碳基材料抑菌剂。
优选的是，所述步骤S1具体为：S1、将0.001-0.1g环丙沙星、0.005-0.5g氯化铜二水合物溶于含0.5-50mL乙酸、2.5-250mL超纯水的混合物中，超声混匀。
优选的是，所述氯化铜二水合物替换为氯化铜。
优选的是，所述步骤S2具体为：将步骤S1得到的溶液转移到以聚四氟乙烯为内衬的反应釜中，在烘箱中于150-220℃下反应4-16个小时。
优选的是，所述步骤S3中采用分子截留量为500-3000Da的透析袋进行透析。
优选的是，该碳基材料抑菌剂的制备方法包括以下步骤：
S1、将0.01g环丙沙星、0.05g氯化铜二水合物溶于含5mL乙酸、25mL超纯水的混合物中，超声混匀；
S2、将步骤S1得到的溶液转移到体积为50mL的以聚四氟乙烯为内衬的反应釜中，在烘箱中于180℃下反应8个小时；
S3、反应结束后，待步骤S2得到的产物冷却至室温后，用分子截留量为1000Da的透析袋透析，收集透析袋内的透析液在旋转蒸发仪上蒸干，得到所述碳基材料抑菌剂。
本发明第二方面还提供如上所述的碳基材料抑菌剂在作为抗菌材料中的应用。
本发明第三方面还提供一种抗菌组合物，其包括如上所述的碳基材料。
本发明第四方面还提供一种抗菌药物，其包括如上所述的碳基材料以及药学上可接受的其他辅料。
本发明的有益效果是：
本发明通过简单的水热法制备得到了一种以环丙沙星为前体、掺杂铜元素的碳基抗菌材料，该抗菌材料具有很高的水溶性，且高于环丙沙星溶解性；铜元素的掺杂能够进一步提高该抗菌材料对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的抗菌性能，其对大肠杆菌的最低抑菌浓度为2.5μg/mL左右，对金黄色葡萄球菌的最低抑菌浓度为5μg/mL左右；该碳基材料在抗菌方面具有良好的应用前景。
附图说明
图1为实施例1制备的碳基材料抑菌剂(以下简称抑菌剂Cu-CCD)的透射电镜照片；
图2为实施例1制备的碳基材料抑菌剂的荧光光谱图；
图3为实施例1中的原料环丙沙星CI和制备的抑菌剂Cu-CCD的红外图谱对照结果；
图4为实施例1制备的抑菌剂Cu-CCD在不同浓度下的抗菌效果；
图5为经实施例1制备的抑菌剂Cu-CCD处理的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的SEM图像；
图6为实施例1制备的抑菌剂Cu-CCD的细胞毒性测试结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
下列实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法。下列实施例中所用的材料试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。下列实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
本实施例提供一种碳基材料抑菌剂，该抑菌剂为采用包括环丙沙星、氯化铜二水合物、乙酸和超纯水在内的原料，通过一步水热法制备得到的掺铜碳点，具体制备方法为：
S1、将0.01g环丙沙星、0.05g氯化铜二水合物溶于含5mL乙酸、25mL超纯水的混合物中，超声混匀；
S2、将步骤S1得到的溶液转移到体积为50mL的以聚四氟乙烯为内衬的反应釜中，在烘箱中于180℃下反应8个小时；
S3、反应结束后，待步骤S2得到的产物冷却至室温后，用分子截留量为1000Da的透析袋透析，收集透析袋内的透析液在旋转蒸发仪上蒸干，得到掺铜碳点固体，即所述碳基材料抑菌剂(Cu-CCD)。
在一些实施例中，也可用氯化铜代替氯化铜二水合物。
参照图1，为实施例1制备的碳基材料抑菌剂(以下简称抑菌剂Cu-CCD)的透射电镜照片，从图中可以看出，该纳米粒子呈球形，均匀分散在溶剂中，粒径主要分布在5-7nm范围内。
参照图2，为实施例1制备的碳基材料抑菌剂的荧光光谱图，图中显示了具有不同激发光波长的荧光光谱，并且光谱表现出特征激发依赖荧光特征。抑菌剂在360nm激发波长下，在440nm处具有最佳发射，可见该材料具有优异的荧光性能。
参照图3，为实施例1中的原料环丙沙星CI和制备的抑菌剂Cu-CCD的红外图谱对照结果，由图可见两者的透射峰存在很大差异，即可证明该抑菌剂的成分与原材料环丙沙星的差别很大。分析透射峰强度可知，抑菌剂Cu-CCD表面富含羟基、羰基等基团。位于714cm-1和1390cm-1左右的特征吸收谱带是由于C-N基团的伸缩振动导致的；位于1050cm-1以及1570cm-1的峰分别是由于C-O和C＝O的伸缩振动导致的；此外，位于3320cm-1的吸收峰是由于-OH键伸缩振动导致的，由于富含羟基、羰基，使得该抑菌剂Cu-CCD具有优异的水溶性。
参照图4，为实施例1制备的抑菌剂Cu-CCD在不同浓度下的抗菌效果：将大肠杆菌(E.coli)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)与不同浓度的Cu-CCD(0,1,2,2.25,2.5,5μg/mL)在LB琼脂培养基中共同培养，结果如图4所示，表明5μg/mL的Cu-CCD可高效率地抑制上述两种细菌，并且，Cu-CCD在2.25μg/mL时对大肠杆菌的抗菌能力优于金黄色葡萄球菌。
本实施例中，进行上述抑菌剂Cu-CCD的抗菌实验具体步骤为：
1.细菌培养
首先称取适量的LB培养基，溶解在超纯水中，高温高压灭菌后，用接种环接入代表革兰氏阴性和革兰氏阳性的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。在细菌摇床中培养过夜。用移液枪将含有细菌的LB液体培养基滴加到固体培养基上，涂板均匀，在37℃，200转每分摇床中培养过夜，计数，最终稀释细菌浓度大约在107CFU/mL。
2.细菌与抑菌剂Cu-CCD共培养
在计数好的含有细菌的培养液中加入材料,充分混合摇匀，转移到固体培养基中，涂布，在37℃，200转每分摇床中培养过夜，记录材料的抗菌作用，从而确定大致的抑菌浓度范围。
3.确定材料的最小抑菌浓度
将不同浓度的抑菌剂Cu-CCD(0,1,2,2.25,2.5,5μg/mL)与液体培养基中的细菌混合，涂布在固体培养基中，培养过夜，记录细菌生长情况，以观察不到细菌菌落时的材料浓度作为该材料的最小抑菌浓度。
参照图5，为经实施例1制备的抑菌剂Cu-CCD处理的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的SEM图像，从图中可以清楚地观察到，未经处理的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌细胞表面完整光滑；在用抑菌剂Cu-CCD处理后，细胞表面出现皱缩或穿孔，壁、膜破裂，胞内物质泄漏，细胞有明显损伤。结果表明，Cu-CCD导致大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的质膜受损，这与阳离子抗菌剂引起的情况类似。上述结果也进一步证明了Cu-CCD在抗菌方面的优异应用潜力。其中，处理方法为：将50μL菌液(1×108CFU/mL)接种到5mL LB培养基中，加入2.5μL浓度为5mg/mL的抑菌剂Cu-CCD溶液孵育24小时，取出100μL菌液稀释到1mL，离心，去上清，再加1mL无菌水重悬，取10μL滴到硅片上制样，拍摄SEM。未加抑菌剂Cu-CCD的菌液用无菌水洗两次后加1mL无菌水重悬，同样取10μL滴到硅片上制样，拍摄SEM。
参照图6，为实施例1制备的抑菌剂Cu-CCD的细胞毒性测试结果，通过WST-1细胞增殖及细胞毒性检测试剂盒对抑菌剂Cu-CCD的细胞毒性进行了评估。从图中结果可以看出，在加入Cu-CCD浓度为0至100μg/mL的浓度时，细胞存活率均在80％以上，证明了该抑菌剂Cu-CCD的毒性较低，生物相容性好。
实施例2
本实施例提供实施例1的碳基材料抑菌剂在作为抗菌材料中的应用。
实施例3
本实施例提供一种抗菌组合物，其包括实施例1的碳基材料。
实施例4
本实施例提供一种抗菌药物，其包括实施例1的碳基材料以及药学上可接受的其他辅料。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (10)

1.一种碳基材料抑菌剂，其特征在于，该抑菌剂为采用包括环丙沙星、氯化铜二水合物、乙酸和超纯水在内的原料，通过一步水热法制备得到的掺铜碳点。
2.根据权利要求1所述的碳基材料抑菌剂，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：
S1、将环丙沙星、氯化铜二水合物溶于乙酸和超纯水的混合物中，超声混匀；
S2、将步骤S1得到的溶液转移到反应釜中，加热下反应；
S3、反应结束后，待步骤S2得到的产物冷却至室温后透析，透析液在旋转蒸发仪上蒸干，得到所述碳基材料抑菌剂。
3.根据权利要求2所述的碳基材料抑菌剂，其特征在于，所述步骤S1具体为：S1、将0.001-0.1g环丙沙星、0.005-0.5g氯化铜二水合物溶于含0.5-50mL乙酸、2.5-250mL超纯水的混合物中，超声混匀。
4.根据权利要求3所述的碳基材料抑菌剂，其特征在于，所述氯化铜二水合物替换为氯化铜。
5.根据权利要求2所述的碳基材料抑菌剂，其特征在于，所述步骤S2具体为：将步骤S1得到的溶液转移到以聚四氟乙烯为内衬的反应釜中，在烘箱中于150-220℃下反应4-16个小时。
6.根据权利要求2所述的碳基材料抑菌剂，其特征在于，所述步骤S3中采用分子截留量为500-3000Da的透析袋进行透析。
7.根据权利要求2所述的碳基材料抑菌剂，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：
S1、将0.01g环丙沙星、0.05g氯化铜二水合物溶于含5mL乙酸、25mL超纯水的混合物中，超声混匀；
S2、将步骤S1得到的溶液转移到体积为50mL的以聚四氟乙烯为内衬的反应釜中，在烘箱中于180℃下反应8个小时；
S3、反应结束后，待步骤S2得到的产物冷却至室温后，用分子截留量为1000Da的透析袋透析，收集透析袋内的透析液在旋转蒸发仪上蒸干，得到所述碳基材料抑菌剂。
8.如权利要求1-6中任意一项所述的碳基材料抑菌剂在作为抗菌材料中的应用。
9.一种抗菌组合物，其特征在于，其包括如权利要求1-6中任意一项所述的碳基材料。
10.一种抗菌药物，其特征在于，其包括如权利要求1-6中任意一项所述的碳基材料以及药学上可接受的其他辅料。
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