长链烷基甜菜碱-石墨烯量子点复合抗菌剂及其制备方法
阅读：2发布：2023-01-11
专利汇可以提供长链烷基甜菜碱-石墨烯量子点复合抗菌剂及其制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了长链烷基甜菜 碱 - 石墨 烯 量子点 复合 抗菌剂 及其制备方法，属于抗菌剂技术领域。本发明首先以 柠檬酸 在 氨 水 中 热解 法制备了氨基功能化 石墨烯 量子点；再通过羧基-胺反应，将长链烷基甜菜碱负载在氨基功能化石墨烯量子点表面，制得长链烷基甜菜碱@石墨烯量子点复合 纳米材料 。疏水 烃 链和正电荷季铵基团的存在使复合纳米材料的抗菌性能显著提高。本发明制备工艺简单，成本低，可实现工业化生产。制备的新型抗菌 碳 纳米材料具有优良的抗菌性能、低细胞毒性和良好的 生物 相容性 ，可广泛应用于药物输送、生物成像、 肿瘤 光热 治疗 或组织工程方面。，下面是长链烷基甜菜碱-石墨烯量子点复合抗菌剂及其制备方法专利的具体信息内容。
1.一种复合抗菌剂的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)碳源与氨源混合，反应完全后得到氨基功能化石墨烯量子点；
(2)步骤(1)所得的氨基功能化石墨烯量子点与长链烷基甜菜碱、缩合助剂混合，进行缩合反应，得到长链烷基甜菜碱-石墨烯量子点复合抗菌剂；其中长链烷基甜菜碱包括CH3(CH2)nN+(CH3)2CH2COO-，n＝9～17。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，长链烷基甜菜碱为CH3(CH2)nN+(CH3)
2CH2COO-，n＝11～17。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述碳源与氨源的物质的量之比为1:1～5:1。
4.根据权利要求1～3任一所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中长链烷基甜菜碱相对氨基功能化石墨烯量子点的质量分数不低于40％。
5.根据权利要求1～4任一所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中缩合助剂包括1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC·HCl)、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)的2-(N-吗啉)乙磺酸缓冲液中的一种或多种。
6.根据权利要求1～5任一所述的方法，其特征在于，所述氨源为28wt％氨水溶液。
7.根据权利要求1～6任一所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的反应是在150～
250℃下保温反应2～8h。
8.一种长链烷基甜菜碱-石墨烯量子点复合抗菌剂，其特征在于，所述复合抗菌剂是利用权利要求1～7任一所述方法制备得到的。
9.一种长链烷基甜菜碱-石墨烯量子点抗菌纳米材料，其特征在于，所述抗菌纳米材料包含权利要求8所述的长链烷基甜菜碱-石墨烯量子点复合抗菌剂。
10.权利要求8所述的复合抗菌剂或者权利要求9所述的抗菌纳米材料在药物输送、生物成像、肿瘤光热治疗或组织工程方面的应用。
长链烷基甜菜碱-石墨烯量子点复合抗菌剂及其制备方法
技术领域
背景技术
[0002] 全球人口的不断增加造成水和空气的污染日益严重，进而导致病原体和传染病的广泛传播，细菌感染已成为全球人类健康面临的最大威胁之一。作为治疗细菌感染的传统抗菌剂，抗生素已广泛应用于我们的日常生活中。然而，随着人们误用、滥用抗生素，部分细菌产生了明显的耐药性，增加了疾病治疗成本，增大了相关并发症和患者死亡风险。因此，开发新型抗菌剂已成为科研工作者关注的一个热点。
[0003] 进入21世纪以来，具有高效抗菌性能的纳米材料，例如金属(如银、金)和金属氧化物纳米颗粒(如氧化铜、氧化铁和氧化锌)，引起人们的广泛兴趣。然而，金属离子的释放所造成的高细胞毒性，使得人们需要用更安全的材料来代替它们。基于石墨烯的碳纳米材料，对环境友好，细胞毒性低、生物相容性好，被广泛应用于医学和生命科学，如药物输送、生物成像、肿瘤光热治疗、组织工程等。
[0004] 石墨烯量子点(GQDs)是石墨烯家族的新成员，是一种具有石墨烯结构的量子点材料，尺寸在10nm左右。由于其极小的尺寸、高的比表面积、良好的水溶性、可调谐的性能，GQDs的研究和应用越来越受到人们的关注。可以通过不同的分子和官能团对GQDs进行官能化和表面改性，来满足生物成像、药物输送、传感和抗菌等应用需求。
[0005] 然而，GQDs由于合成方法中的前驱体多样性高，不同方法制备的GODs的表面电荷和功能性质不同，从而也使得所得GQDs表现出各不相同的分散性能和抗菌性能。因此，开发一种具有优异分散性和抗菌性能的石墨烯量子点纳米材料是具有非常大的市场需求的。
发明内容
[0006] 为了解决上述问题，本发明利用长链烷基甜菜碱包覆在GQDs纳米粒子表面，构建长链烷基甜菜碱@石墨烯量子点复合抗菌剂，表现出增强的抗菌活性，最小抑菌浓度值显著低于游离药物；将烷基甜菜碱分子共价键合到GQDs表面，使GQDs表面具有明显的局部正电荷密度和疏水链数，从而大大提高其抗菌性能。
[0007] 本发明的第一个目的是提供一种复合抗菌剂的制备方法，所述方法包括：
[0008] (1)碳源与氨源混合，反应完全后得到氨基功能化石墨烯量子点；
[0009] (2)步骤(1)所得的氨基功能化石墨烯量子点与长链烷基甜菜碱(BS)、缩合助剂混合，进行缩合反应，得到长链烷基甜菜碱-石墨烯量子点复合抗菌剂；其中长链烷基甜菜碱包括CH3(CH2)nN+(CH3)2CH2COO-，n＝9～17。
[0010] 在本发明的一种实施方式中，所述长链烷基甜菜碱优选CH3(CH2)nN+(CH3)2CH2COO-，n＝11～17。
[0011] 在本发明的一种实施方式中，所述碳源与氨源的摩尔比为1:1～5:1。
[0012] 在本发明的一种实施方式中，所述碳源为柠檬酸。
[0013] 在本发明的一种实施方式中，所述氨源可选择28wt％氨水溶液。
[0014] 在本发明的一种实施方式中，所述28wt％氨水溶液的密度为0.898g/mL，物质的量浓度为14.8mol/L。
[0015] 在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)中的反应是在150～250℃下保温反应2～8h。
[0016] 在本发明的一种实施方式中，所述步骤(2)中的长链烷基甜菜碱优选CH3(CH2)11N+-(CH3)2CH2COO。
[0017] 在本发明的一种实施方式中，所述步骤(2)中长链烷基甜菜碱相对氨基功能化石墨烯量子点的质量分数不低于40％。
[0018] 在本发明的一种实施方式中，所述步骤(2)中缩合助剂包括1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC·HCl)、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)的2-(N-吗啉)乙磺酸缓冲液中的一种或多种。
[0019] 在本发明的一种实施方式中，所述步骤(2)中缩合助剂优选1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC·HCl)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)的2-(N-吗啉)乙磺酸缓冲液的组合。
[0020] 在本发明的一种实施方式中，所述长链烷基甜菜碱BS：1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐EDC·HCl：N-羟基琥珀酰亚胺NHS＝1：4：4。
[0021] 长链烷基甜菜碱@石墨烯量子点复合抗菌剂的制备方法，其特征在于：所述的制备方法是以氨基功能化石墨烯量子点为载体，通过羧基-胺反应，将长链烷基甜菜碱负载在氨基功能化石墨烯量子点表面，得到的纳米复合材料。
[0022] 在本发明的一种实施方式中，所述方法具体包括以下步骤，
[0023] (1)氨基功能化石墨烯量子点的制备：
[0024] 将2.6mmol柠檬酸溶于50mL二次蒸馏水中，加入0.52～2.6mmol氨水，混合均匀后，将混合物转移到聚四氟乙烯内衬的高压釜中，在150～250℃下保温反应2～8h；冷却至室温后，用0.22μm的水系微孔滤膜过滤，除去不溶性碎片；将得到的澄清液经截留分子量为1KDa的透析袋于去离子水中透析48h，然后经冷冻干燥得到固体粉末，即为氨基功能化石墨烯量子点；
[0025] (2)长链烷基甜菜碱@石墨烯量子点复合抗菌剂的制备：
[0026] 将长链烷基甜菜碱(BS)与1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC·HCl)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)的2-(N-吗啉)乙磺酸缓冲液(0.1mol·L-1，pH＝6.0)混合得到混合液，混合液各原料的物质的量之比为BS：EDC·HCl：NHS＝1：4：4；在混合液中加入氨基功能化石墨烯量子点的磷酸盐缓冲溶液；反应完全后，透析、冷冻干燥，长链烷基甜菜碱@石墨烯量子点复合抗菌剂。
[0027] 在本发明的一种实施方式中，所述透析是经截留分子量为1KDa的透析袋于去离子水中透析24h。
[0028] 本发明的第二个目的是利用上述方法提供一种长链烷基甜菜碱@石墨烯量子点复合抗菌剂。
[0029] 本发明的第三个目的是提供一种长链烷基甜菜碱-石墨烯量子点抗菌纳米材料，所述抗菌纳米材料包含上述的长链烷基甜菜碱-石墨烯量子点复合抗菌剂。
[0030] 本发明的第四个目的是将上述的复合抗菌剂或者抗菌纳米材料应用于药物输送、生物成像、肿瘤光热治疗或组织工程方面。
[0031] 与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0032] (1)本发明方法原料易得，工业简单：本发明碳源廉价易得，“自下而上”一步法合成氨基功能化石墨烯量子点。通过简单的羧基-胺反应，将烷基甜菜碱与氨基功能化的石墨烯量子点偶联，获得长链烷基甜菜碱@石墨烯量子点复合抗菌剂。制备方法简单高效、成本低，可实现工业化生产。
[0033] (2)本发明方法所得复合抗菌剂产品分散性良好：对所制备的长链烷基甜菜碱修饰的石墨烯量子点抗菌剂进行透射电镜形貌分析，从得到的透射电镜照片可知：制备的氨基功能化石墨烯量子点具有良好的分散性，其平均粒径约为1～5nm，继而制得了具有增强抗菌性能的长链烷基甜菜碱@石墨烯量子点复合抗菌剂，其平均粒径约为5～15nm；
[0034] (3)本发明方法所得复合抗菌剂产品抗菌性能优良：
[0035] 本发明利用抗菌物质包覆在纳米粒子表面，可表现出增强的抗菌活性，最小抑菌浓度值显著低于游离药物，以氨基功能化石墨烯量子点为载体，通过羧基-胺反应，将烷基甜菜碱分子共价键合到GQDs表面，使GQDs表面具有明显的局部正电荷密度和疏水链数，从而大大提高其抗菌性能。以金黄色葡萄球菌(S.aureus)为代表，对长链烷基甜菜碱@石墨烯量子点进行抗菌性能测试，结果表明，与长链烷基甜菜碱相比，长链烷基甜菜碱@石墨烯量子点复合抗菌剂对金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度(MIC)值大幅度减小，说明复合抗菌剂的抗菌活性显著提高。附图说明
[0037] 图2是不同链长烷基甜菜碱@石墨烯量子点复合抗菌剂的抗菌性能。
具体实施方式
[0038] 下面用实施例来进一步说明本发明，但本发明并不受其限制。
[0039] 长链烷基甜菜碱-石墨烯量子点复合抗菌剂的制备方法，以氨基功能化石墨烯量子点为载体，通过羧基-胺反应，将长链烷基甜菜碱负载在氨基功能化石墨烯量子点表面，得到的纳米复合材料。
[0040] 抗菌性能测试：
[0041] 测试前准备工作：
[0042] (1)试验所用菌种：金黄色葡萄糖菌ATCC6538；
[0044] (3)固体培养基配方：将胰蛋白胨(10g)、牛肉浸粉(3g)、氯化钠(5g)、琼脂(10g)溶于1L蒸馏水中，加热溶解。经121℃高压蒸汽灭菌20min处理；
[0046] (5)菌悬液制备：接种环经酒精灯灭菌处理后，从斜面菌种上挑取适量菌体接种于已灭菌的营养肉汤中，在37℃左右培养18h，所得菌液浓度为108cells/mL。
[0047] 最小抑菌浓度(MIC)测定试验：
[0048] 将一定质量的抗菌剂溶于适量蒸馏水中，超声或加热使其充分溶解或分散，配成一定浓度的抗菌剂水溶液；然后逐级稀释，得到一系列浓度梯度的待测溶液。在每个无菌小试管中加入1mL不同浓度的抗菌剂水溶液，1mL新鲜菌液(105CFU/mL)，置于37℃的摇床(180rpm)培养箱中振荡培养24h。结束后取出，用微量移液器从每个小试管中分别吸取0.2mL混合液加入到平板培养基上，用玻璃涂棒将菌悬液在平板上涂抹均匀，然后将平板倒置在37℃的恒温培养箱中，培养24h，取出观察是否有菌落生长。培养基中完全无菌存在的最小相应浓度值即为该试样对试验菌的MIC。
[0049] 实施例1：
[0050] (1)氨基功能化石墨烯量子点的制备：
[0051] 准确称取2.6mmol柠檬酸于烧杯中，加入50mL超纯水使其完全溶解，再加入1.04mmol氨水(28wt％)，柠檬酸和氨水的物质的量之比为2.5：1，混合均匀后，将混合物转移到聚四氟乙烯内衬的高压釜(100mL)中，在200℃下保温反应4h；冷却至室温后，用0.22μm的水系微孔滤膜过滤，除去不溶性碎片；将得到的澄清液经截留分子量为1KDa的透析袋于去离子水中透析48h，然后经冷冻干燥得到固体粉末，即为氨基功能化石墨烯量子点；
[0052] (2)长链烷基甜菜碱-石墨烯量子点复合抗菌剂的制备：
[0053] 将100mg十二烷基甜菜碱(BS-12)与1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC·HCl)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)的2-(N-吗啉)乙磺酸缓冲液(0.1mol·L-1，pH＝6.0)混合活化0.5h，其中，各原料的摩尔比为BS：EDC·HCl：NHS＝1：4：4；活化后，在混合液中加入4mL，50mg·mL-1的氨基功能化石墨烯量子点的磷酸盐缓冲溶液(0.1mol·L-1，pH＝7.4)，反应12h，再经截留分子量为1KDa的透析袋于去离子水中透析24h，然后经冷冻干燥得到十二烷基甜菜碱修饰的石墨烯量子点(BS-12@GQDs)。
[0054] 图1(A)是氨基功能化石墨烯量子点的透射电子显微镜照片，(B)是十二烷基甜菜碱-石墨烯量子点复合抗菌剂的透射电子显微镜照片。从图中可以看出，所制备的氨基功能化石墨烯量子点具有良好的分散性，其平均粒径约为1～5nm，制备的十二烷基甜菜碱@石墨烯量子点复合抗菌剂，其平均粒径约为5～15nm。
[0055] 以金黄色葡萄球菌作为实验菌，对上述BS-12@GQDs复合抗菌剂进行抗菌性能测试。具体结果如图2所示，从图2可知，BS-12对金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度(MIC)值为80μg/mL，而经本实施例制备的BS-12@GQDs复合抗菌剂对金黄色葡萄球菌的MIC值仅为7μg/mL，显著低于BS-12。由此可见，BS-12@GQDs复合抗菌剂具有优异的抗菌性能。
[0056] 实施例2：
[0057] 参照实施例1，将十二烷基甜菜碱(BS-12)分别替换为表1所示的长链烷基甜菜碱，其他条件不变，制备得到BS-8@GQDs、BS-10@GQDs、BS-14@GQDs和BS-18@GQDs复合抗菌剂。对所得复合抗菌剂进行抗菌性能测试，结果如表1所示。
[0058] 表1不同链长烷基甜菜碱-石墨烯量子点复合抗菌剂的抗菌性能
[0059]长链烷基甜菜碱 MIC值μg/mL
BS-8 47
BS-10 12
BS-14 8
BS-18 10
BS-8 47
BS-10 12
BS-14 8
BS-18 10
[0060] 相较单纯的甜菜碱，长链烷基甜菜碱-石墨烯量子点复合抗菌剂对金黄色葡萄球菌的MIC值大幅度减小。其中，BS-10的MIC值降低至12μg/mL，且特别是BS-(12-18)的烷基甜菜碱，相应的烷基甜菜碱-石墨烯量子点复合抗菌剂的抗菌作用均不超过10μg/mL，复合抗菌剂的抗菌活性显著提高。
[0061] 实施例3：
[0062] 参照实施例1，仅改变步骤(1)中柠檬酸碳源与氨的用量比例，其他条件不变，制备得到复合抗菌剂。对所得抗菌剂进行测定，结果见表2。
[0063] 表2不同碳源/氨质量比制备所得抗菌剂的抗菌性能
[0064]碳源与氨的摩尔比 MIC值μg/mL
1:2 52
1:1 10
2.5:1 7
5:1 8
1:2 52
1:1 10
2.5:1 7
5:1 8
[0065] 实施例4：
[0066] 参照实施例1，仅改变步骤(2)中BS-12与氨基功能化石墨烯量子点的用量比例，其他条件不变，制备得到复合抗菌剂。对所得抗菌剂进行测定，结果见表3。
[0067] 表3不同BS-12与氨基功能化石墨烯量子点质量比制备所得抗菌剂的抗菌性能[0068]BS-12与氨基功能化石墨烯量子点的质量比 MIC值μg/mL
0.1：1 32
0.4：1 8
3.5：1 10
4：1 12
5：1 12
0.1：1 32
0.4：1 8
3.5：1 10
4：1 12
5：1 12
[0069] 实施例5：
[0070] 参照实施例1，仅省略步骤(2)中的利用缩合助剂1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC·HCl)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)的2-(N-吗啉)乙磺酸缓冲液活化十二烷基甜菜碱的过程，其他条件不变，制备得到复合抗菌剂。
[0071] 对所得复合抗菌剂进行抗菌性能测试，发现该复合抗菌剂对金黄色葡萄球菌的MIC值为78μg/mL，与未经修饰的BC-12的MIC值相差不大。这说明活化步骤在复合抗菌剂的合成中必不可少，能够促使羧基-胺反应得以顺利进行。
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