一种基于半导体聚合物的水相抗菌剂的制备及其应用

1.本发明属于纳米材料合成技术领域。具体涉及一基于半导体聚合物的水相抗菌剂的制备及其应用。


背景技术：

2.微生物是我们日常生活不可或缺的一部分，但细菌感染无时无刻不威胁着人类的健康。根据世界卫生组织的报告，全世界每年约有1700万人死于细菌引起的传染病。近年来，大量抗生素的滥用已经导致多种耐药性超级细菌的产生，使感染变得不受控制。因而，开发可替代抗生素的新型抗菌剂迫在眉睫。
3.纳米抗菌剂作为一种绿色安全、高效持久的新型抗菌材料，逐渐受到广泛关注。纳米抗菌材料按其机理可以分为季铵盐抗菌、光动力抗菌、光热抗菌等。季铵盐抗菌作为一种较有希望替代抗生素抗菌的方法，近年来得到人们的广泛关注。季铵盐抗菌材料及主要包括小分子抗菌剂和高分子抗菌剂，小分子抗菌剂由于制备方法繁琐、稳定性差等缺点限制了其实际应用。高分子抗菌剂因其尺寸较大不会渗入人皮肤，且具有优异的光稳定性而得到广泛应用。在季铵盐抗菌过程中，其材料的化学结构、分子量和带电官能团在细菌识别，破坏细菌细胞膜和杀死细菌中起到关键作用。为了增加高分子抗菌剂中季铵盐基团的密度以增强抗菌性能，常常需要将季铵盐抗菌基团键合到高分子“骨架”上，因而结构稳定、尺寸均匀的高分子“骨架”的设计对于提升其抗菌性能至关重要。
4.光热抗菌是指利用光热转换效率高的近红外吸光材料，在近红外光的照射下将光能转化为热能从而杀死细菌细胞从而达到抑菌的目的。光热抗菌因其具有成本较低、良好的特异性，不易引起细菌耐药性等优势逐渐成为重要的抗菌方法之一。目前，应用较多的光热抗菌材料主要包括无机材料（au、ag、cus等）和有机材料（石墨烯、碳纳米管等），而无机纳米抗菌剂潜在的生物安全性问题限制了其进一步的应用。半导体聚合物因其优异的生物相容性、良好的光热性能、优良的光稳定性在生物医学中得到广泛应用。利用半导体聚合物作为光热抗菌剂将是最理想的选择之一。然而单一季铵盐抗菌和光热抗菌都易造成耐药菌的出现，联合抗菌成为更优的抗菌策略。
5.本发明提供了一种基于半导体聚合物的水相抗菌剂的制备方法，本发明利用半交联互穿的新颖的合成策略，将季铵盐骨架和功能性嵌段掺杂到半导体聚合物纳米粒子中，成功制备了以半导体聚合物作为光热试剂的水相季铵盐型联合高效水相抗菌剂。


技术实现要素：

6.为解决上述问题，本发明公开了基于半导体聚合物的水相抗菌剂的制备方法，该制备方法较为简单，稳定性高，重复性好，制备的纳米抗菌剂具有较好的生物相容性和优异的光热/季铵盐协同抗菌效果；解决了纳米抗菌剂稳定性不够，易产生耐药性等缺点，且具有优异的尺寸形貌和分散性；利用金黄色葡萄球菌和大肠杆菌对该纳米抗菌剂的抗菌效果进行了评估，结果表明本发明水相季铵盐型半导体聚合物光热纳米材料具有优异的抗菌性
能；利用光声成像测试评估了发明的纳米抗菌剂的体内成像能力；因此水相季铵盐型半导体聚合物光热纳米材料在抗菌领域有着良好的应用潜力。
7.为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明提供一种水相季铵盐型半导体聚合物纳米抗菌剂的制备方法，包括以下步骤：s01：采用再沉淀法，将半导体聚合物制备成半导体聚合物纳米粒子水溶液；s02：将嵌段分子1水溶液、嵌段分子2水溶液、交联剂水溶液、表面活性剂水溶液、还原剂水溶液和半导体聚合物纳米粒子水溶液分别加入到反应器皿中，超声5 min，无氧环境反应，反应完成后，离心纯化得到水相季铵盐型半导体聚合物纳米抗菌剂中间体；s03：将步骤s02得到的水相季铵盐型半导体聚合物纳米抗菌剂中间体分散于水中，加入碘甲烷水溶液中，反应完成后，离心纯化得到水相季铵盐型半导体聚合物纳米抗菌剂；其中，所述嵌段分子1为n-异丙基丙烯酰胺、丙烯酸中的一种，所述嵌段分子2为甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、(2-boc-氨基)乙基甲基丙烯酸酯中的一种。
8.进一步地，所述步骤s01中再沉淀法制备成半导体聚合物纳米粒子水溶液的制备方法，包括以下步骤：（1）将半导体聚合物溶解至四氢呋喃中，过滤，得到半导体聚合物浓度为0.1mg/ml的滤液；（2）在步骤（1）得到的滤液中加入四氢呋喃稀释，得到半导体聚合物浓度为0.017mg/ml的稀释液；（3）在37 khz超声条件下，将超纯水注射至步骤（2）得到的稀释液中，超声反应7-9min，得到超声反应液；稀释液与超纯水的体积比为1：4；（4）将步骤（3）得到的超声反应液旋蒸，浓缩液过滤得到半导体聚合物纳米粒子水溶液。
9.进一步地，步骤s01中，所述半导体聚合物为dpp衍生半导体聚合物，优选地半导体聚合物为pdppbt、psbtbt、pdpp3t中的一种，所述半导体聚合物纳米粒子水溶液中半导体聚合物纳米粒子的浓度为30-50μg/ml。
10.进一步地，步骤s02中，所述嵌段分子1水溶液的浓度为90-110mm，优选地嵌段分子1水溶液的浓度为100mm；所述嵌段分子2水溶液的浓度为180-220mm，优选地嵌段分子2水溶液的浓度为200mm；所述嵌段分子1与嵌段分子2的摩尔比为5：1-2；所述半导体聚合物纳米粒子与嵌段分子1的质量摩尔比为1：6-10g/mol。
11.进一步地，步骤s02中，所述嵌段分子1与交联剂的摩尔比为5：1-1.2；所述交联剂与表面活性剂与还原剂的摩尔比为6：1-2：1-1.2。
12.步骤s02中，所述交联剂水溶液的浓度为80-120mm，优选地所述交联剂水溶液的浓度为100mm；所述表面活性剂水溶液的浓度为180-220mm，优选地表面活性剂水溶液的浓度为200mm；所述还原剂水溶液的浓度为16-24mm，优选地还原剂水溶液的浓度为20mm，所述嵌段分子1与交联剂的摩尔比为5：1-1.2；所述交联剂与表面活性剂与还原剂的摩尔比为6：1-2：1-1.2。
13.进一步地，步骤s02中，所述交联剂为双（2-甲基丙烯）乙氧基二硫、n,n-亚甲基双
丙烯酰胺中的一种或多种，所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠、月桂基亚氨基二乙酸二钠中的一种或多种，所述还原剂为过硫酸铵、过硫酸钾中的一种或多种。
14.进一步地，所述步骤s02中反应的温度为75-85℃，反应的时间为2-4h，优选地反应的时间为2-3h。
15.进一步地，步骤s03中，所述水相季铵盐型半导体聚合物纳米抗菌剂中间体水溶液的浓度为30-50 μg/ml；所述碘甲烷水溶液的浓度为140-160mm，优选地碘甲烷水溶液的浓度为150mm；所述水相季铵盐型半导体聚合物纳米抗菌剂中间体与碘甲烷的质量摩尔比为1：3-3.5g/mol。
16.进一步地，所述步骤s03中反应的温度为20-25℃，反应的时间为24-36h。
17.本发明还提供水相季铵盐型半导体聚合物纳米抗菌剂在水相环境下的抗菌应用。
18.与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：1、本发明提供的水相季铵盐型半导体聚合物光热纳米抗菌剂制备方法，先利用再沉淀法将半导体聚合物制备成纳米粒子，再利用半交联互穿策略在其表面包覆功能化嵌段，经过一定的纯化步骤后将嵌段进行季铵盐化。从而得到具有优异稳定性、高效抗菌性能的半导体聚合物纳米抗菌剂；制备方法简单，条件温和。步骤s02中反应前超声5min，进一步增强了溶液中的自由基数量，提高反应效率。
19.2、本发明水相季铵盐型半导体聚合物光热纳米抗菌剂具有优异的生物安全性。
20.3、本发明水相季铵盐型半导体聚合物光热纳米抗菌剂在近红外区有较强的光热效应，再加上抗拒性能优异的季铵盐嵌段，可以有效地进行光热和季铵盐协同抗菌，可用于光热/季铵盐协同抗菌应用，能够实现高效抗菌。
21.4、本发明本发明水相季铵盐型半导体聚合物纳米抗菌剂得益于半导体聚合物的光声成像性能，可以实现良好的临床体内抗菌指导，具有广阔的临床应用和市场前景。
附图说明
22.图1为本发明实施例1中水相季铵盐型半导体聚合物光热纳米抗菌剂的制备过程及应用示意图；图2为本发明实施例1中水相半导体聚合物光热纳米抗菌剂的透射电镜（tem）图；图3为本发明实施例2中水相半导体聚合物光热纳米抗菌剂的光热升温曲线图；图4为本发明实施例3中水相半导体聚合物光热纳米抗菌剂的生物安全性能评估；图5为本发明实施例4中水相半导体聚合物光热纳米抗菌剂的抗菌性能评估；图6为本发明实施例1中水相半导体聚合物光热纳米抗菌剂的光声性能测试。
实施方式
23.以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例
24.水相季铵盐型半导体聚合物纳米抗菌剂的制备方法，步骤如下：（1）将0.2 mg半导体聚合物pdpp3t溶解至2 ml无水四氢呋喃中，并用0.22 μm有机
相过滤头过滤后，配制成半导体聚合物pdpp3t浓度为0.1mg/ml的滤液；（2）取步骤（1）中溶液1 ml，加5 ml四氢呋喃稀释，得到半导体聚合物pdpp3t的稀释液；（3）将步骤（2）中稀释液按体积平均分成三份，在37 khz超声条件下，用移液枪将纯水注射到稀释液中，稀释液与超纯水的体积比为1：4，超声反应8 min，得到超声反应液；（4）利用旋转蒸发的方法去除超声反应液中的四氢呋喃，并将溶液浓缩至2 ml，用0.22 μm的水相过滤头过滤得到半导体聚合物纳米粒子pdpp3t nps水溶液。
25.（5）在反应器皿中加入浓度为100 mm的n-异丙基丙烯酰胺水溶液6 ml，浓度为200 mm甲基丙烯酸二甲氨基乙酯水溶液0.67 ml，浓度为100mmn,n-亚甲基双丙烯酰胺1.2 ml，浓度为200 mm月桂基亚氨基二乙酸二钠水溶液100 μl，浓度为20 mm过硫酸钾水溶液1 ml，半导体聚合物纳米粒子pdpp3t nps水溶液2ml；将以上混合溶液进行5 min超声后在无氧环境下，80℃温度下反应2h，反应完成后，使用纯水清洗离心三次，转速14000 rpm离心时间30 min，得到pdpp3t@p(nipam-dmaema) ipns，然后加入水中分散得到浓度为50 μg/ml的pdpp3t@p(nipam-dmaema) ipns水溶液；（6）将10ml步骤s02得到的pdpp3t@p(nipam-dmaema) ipns水溶液、10 ml浓度为150 mm碘甲烷水溶液加入反应器皿中，25
°
c下反应24h，反应完成后，使用纯水清洗离心三次，转速14000 rpm离心20 min，得到水相季铵盐型半导体聚合物纳米抗菌剂，分散于水中，于4
°
c储存待用。
26.本实施例的水相季铵盐型半导体聚合物光热纳米材料的制备过程及应用示意图如图1所示。
27.使用透射电子显微镜（tem）观察制得的水相季铵盐型半导体聚合物光热纳米材料的微观形貌。将制备得到的水相季铵盐型半导体聚合物光热纳米材料稀释50倍，取10μl的水溶液滴至电镜专用铜网，干燥后通过投射电子显微镜对半导体聚合物光热纳米材料的微观形貌进行观察，如图2所示，该纳米材料呈规则球形，形貌良好，尺寸均一，粒径在120 nm
±
5nm。
实施例
28.（1）将0.2 mg半导体聚合物psbtbt溶解至2 ml无水四氢呋喃中，并用0.22 μm有机相过滤头过滤后，配制成半导体聚合物psbtbt浓度为0.1mg/ml的滤液；（2）取步骤（1）中溶液1 ml，加5 ml四氢呋喃稀释，得到半导体聚合物psbtbt的稀释液；（3）将步骤（2）中溶液按体积平均分成三份，在37 khz超声条件下，用移液枪将纯水注射到稀释液中，稀释液与超纯水的体积比为1：4，超声反应8 min，得到超声反应液；（4）利用旋转蒸发的方法去除超声反应液中的四氢呋喃，并将溶液浓缩至2 ml，用0.22 μm的水相过滤头过滤得到半导体聚合物纳米粒子psbtbt nps水溶液。
29.（5）在反应器皿中加入浓度为100 mm的n-异丙基丙烯酰胺水溶液6 ml，浓度为200 mm甲基丙烯酸二甲氨基乙酯水溶液0.67 ml，浓度为100mmn,n-亚甲基双丙烯酰胺1.2 ml，浓度为200 mm月桂基亚氨基二乙酸二钠水溶液100 μl，浓度为20 mm过硫酸钾水溶液1 ml，半导体聚合物纳米粒子psbtbt nps水溶液2ml；混合溶液进行5 min超声后在无氧环境下，
80℃温度下反应2h，反应完成后，使用纯水清洗离心三次，转速14000 rpm离心时间30 min，得到psbtbt@p(nipam-dmaema) ipns，然后加入水中分散得到浓度为50 μg/ml的psbtbt@p(nipam-dmaema) ipns水溶液；（6）将10ml步骤s02得到的psbtbt@p(nipam-dmaema) ipns水溶液、10 ml浓度为150 mm碘甲烷水溶液加入反应器皿中，25
°
c下反应24h，反应完成后，使用纯水清洗离心三次，转速14000 rpm离心20 min，得到水相季铵盐型半导体聚合物纳米抗菌剂，分散于水中，于4
°
c储存待用。
实施例
30.实施例1中水相季铵盐型半导体聚合物光热纳米材料的光热性能评估：配制实施例1中的不同浓度的水相季铵盐型半导体聚合物光热纳米材料，并将其置于离心管内，在波长为808 nm近红外激光辐照下（激光功率密度为1w/cm2），测试水相季铵盐型半导体聚合物光热纳米材料在5min内的温度变化，并以超纯水作为空白对照。如图3所示，测试数据表明水相季铵盐型半导体聚合物光热纳米材料具有优异的光热性能。
实施例
31.实施例1中水相季铵盐型半导体聚合物光热纳米材料的生物安全性能评估：配制不同浓度的实施例1中的水相季铵盐型半导体聚合物光热纳米材料。将事先培育好的hela细胞复苏接种于96 孔板内，孵育24 h达到要求细胞数量后（5
×
103），将培养液弃掉，加入不同浓度的水相季铵盐型半导体聚合物光热纳米材料，孵育24 h后，加入mtt试剂混合4h，最后通过细胞活力检测评估材料的细胞毒性。如图4所示，本实施例表明水相季铵盐型半导体聚合物光热纳米材料几乎无毒性。
实施例
32.实施例1中水相季铵盐型半导体聚合物光热纳米材料的抗菌性能测试：将实施例1中的水相季铵盐型半导体聚合物光热纳米材料配制成不同的浓度。随后将不同浓度的材料分别于事先调好浓度的e.coil和s.aureus菌液（od
600
=0.1）混合。利用波长为808 nm激光器（激光功率密度为），对各组菌液进行辐照5min处理。处理后的菌液分别用pbs缓冲液稀释10000倍，取其中100 μl稀释后均匀涂抹于luria bertani（lb）固体培养基内，在37
ꢀ°
c培养箱中继续培养12-16 h。对照组为空白组（不加材料）和非激光组（加材料不辐照）用于对比验证。如图5所示，水相季铵盐型半导体聚合物光热纳米材料在低浓度时，就可以杀死大部分的细菌。
33.本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种水相季铵盐型半导体聚合物纳米抗菌剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s01：采用再沉淀法，将半导体聚合物制备成半导体聚合物纳米粒子水溶液；s02：将嵌段分子1水溶液、嵌段分子2水溶液、交联剂水溶液、表面活性剂水溶液、还原剂水溶液和半导体聚合物纳米粒子水溶液分别加入到反应器皿中，超声5 min，无氧环境反应，反应完成后，离心纯化得到水相季铵盐型半导体聚合物纳米抗菌剂中间体；s03：将步骤s02得到的水相季铵盐型半导体聚合物纳米抗菌剂中间体分散于水中，加入碘甲烷水溶液中，反应完成后，离心纯化得到水相季铵盐型半导体聚合物纳米抗菌剂；其中，所述嵌段分子1为n-异丙基丙烯酰胺、丙烯酸、乳酸-羟基乙酸中的一种，所述嵌段分子2为甲基丙烯酸二甲氨基乙酯、(2-boc-氨基)乙基甲基丙烯酸酯中的一种。2.根据权利要求1所述的一种水相季铵盐型半导体聚合物纳米抗菌剂的制备方法，其特征在于，所述步骤s01中再沉淀法制备成半导体聚合物纳米粒子水溶液的制备方法，包括以下步骤：（1）将半导体聚合物溶解至四氢呋喃中，过滤，得到半导体聚合物浓度为0.1mg/ml的滤液；（2）在步骤（1）得到的滤液中加入四氢呋喃稀释，得到半导体聚合物浓度为0.017mg/ml的稀释液；（3）在37 khz超声条件下，将超纯水注射至步骤（2）得到的稀释液中，超声反应7-9min，得到超声反应液；稀释液与超纯水的体积比为1：4；（4）将步骤（3）得到的超声反应液旋蒸，浓缩液过滤得到半导体聚合物纳米粒子水溶液。3.根据权利要求1所述的一种水相水相季铵盐型半导体聚合物纳米抗菌剂的制备方法，其特征在于，步骤s01中，所述半导体聚合物为d-a型半导体聚合物，优选地半导体聚合物为pdppbt、psbtbt、pdpp3t中的一种，所述半导体聚合物纳米粒子水溶液中半导体聚合物纳米粒子的浓度为30-50μg/ml。4.根据权利要求1所述的一种水相季铵盐型半导体聚合物纳米抗菌剂的制备方法，其特征在于，步骤s02中，所述嵌段分子1水溶液的浓度为90-110mm，所述嵌段分子2水溶液的浓度为180-220mm，所述嵌段分子1与嵌段分子2的摩尔比为5：1-2；所述半导体聚合物纳米粒子与嵌段分子1的质量摩尔比为1：6-10g/mol。5.根据权利要求1所述的一种水相季铵盐型半导体聚合物纳米抗菌剂的制备方法，其特征在于，步骤s02中，所述交联剂水溶液的浓度为80-120mm，所述表面活性剂水溶液的浓度为180-220mm，所述还原剂水溶液的浓度为16-24mm，所述嵌段分子1与交联剂的摩尔比为5：1-1.2；所述交联剂与表面活性剂与还原剂的摩尔比为6：1-2：1-1.2。6.根据权利要求5所述的一种水相季铵盐型半导体聚合物纳米抗菌剂的制备方法，其特征在于，步骤s02中，所述交联剂为双（2-甲基丙烯）乙氧基二硫、n,n-亚甲基双丙烯酰胺中的一种或多种，所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠、月桂基亚氨基二乙酸二钠中的一种或多种，所述还原剂为过硫酸铵、过硫酸钾中的一种或多种。7.根据权利要求1所述的一种水相季铵盐型半导体聚合物纳米抗菌剂的制备方法，其特征在于，所述步骤s02中反应的温度为75-85℃，反应的时间为2-4h。
8.根据权利要求1所述的一种水相季铵盐型半导体聚合物纳米抗菌剂的制备方法，其特征在于，步骤s03中，所述水相季铵盐型半导体聚合物纳米抗菌剂中间体水溶液的浓度为30-50 μg/ml；所述碘甲烷水溶液的浓度为140-160mm；所述水相季铵盐型半导体聚合物纳米抗菌剂中间体与碘甲烷的质量摩尔比为1：3-3.5g/mol。9.根据权利要求1所述的一种水相季铵盐型半导体聚合物纳米抗菌剂的制备方法，其特征在于，所述步骤s03中反应的温度为20-25℃，反应的时间为24-36h。10.如权利要求1-9任一项所述的制备方法得到的水相季铵盐型半导体聚合物纳米抗菌剂在抗菌中的应用。

技术总结
本发明公开了一种基于半导体聚合物水相季铵盐型抗菌剂的制备方法及其应用，所述的水相半导体聚合物纳米抗菌剂是先利用再沉淀法制备一种均匀分散于水中的半导体聚合物纳米粒子，再利用超声引发聚合法将相应智能功能化嵌段与半导体聚合物链以半交联互穿的方式交织包覆在聚合物纳米粒子表面，最后将对应水相嵌段季铵盐化得到。本发明中的纳米材抗菌剂利用半交联互穿的制备策略，在保证了其生物安全性和结构稳定性的同时，还将光热抗菌与季铵盐抗菌结合在一起，可以有效地避免单一抗菌策略效果差，易产生耐药性等缺点，使其在对于金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌应用中表现优异；得益于近红外半导体聚合物的加入，使抗菌剂可利用光声成像实现体内抗菌行为实时指导。制备工艺简单，易推广至临床针对关节炎症的指导治疗。疗。疗。


技术研发人员：许煜 邓亚玲 杨忠
受保护的技术使用者：金陵科技学院
技术研发日：2023.05.04
技术公布日：2023/8/14