一种聚多巴胺/硫化亚铁复合光热抗菌材料及其制备方法和应用

1.本发明属于纳米医学材料和抗菌应用技术领域，具体涉及一种聚多巴胺/硫化亚铁复合光热抗菌材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.随着抗生素的广泛使用，越来越多的细菌产生了耐药性，因此，人们亟待开发其它抗菌途径。许多纳米材料表现出良好的抗菌效果，但它们或者具有非特异性的生物毒性，或者具有漫长的代谢过程，又或者难以合成，这些缺陷都严重限制了它们在临床上的进一步推广应用。
3.聚多巴胺（pda）是一种多功能仿生高分子材料，其一方面具有类似于天然黑色素的宽带光吸收性能，另一方面又对多种固体材料的表面具有强黏附特性。具有儿茶酚结构的多巴胺能够螯合多种金属离子，pda已成为金属氧化物和硫化物纳米材料的优良载体。
4.最近研究发现，除了细胞、细菌和病毒也会发生铁死亡，这种铁死亡依赖于亚铁而非三价铁。硫化亚铁（fes）能够通过溶解和歧化导致脂质过氧化和谷胱甘肽耗竭，从而引发细菌dna降解而死亡。然而，纳米硫化亚铁倾向于团聚成较大颗粒，且其本身易被氧化，其生物医学应用受到限制。
5.本发明利用多巴胺（da）与亚铁离子的螯合作用，原位合成聚多巴胺/硫化亚铁纳米复合材料，不仅可以使超小尺寸的fes颗粒均匀稳定地分散在载体内外，而且纳米复合材料的杀菌效率还可以通过光热协同效应得到进一步提升。


技术实现要素：

6.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种聚多巴胺/硫化亚铁复合光热抗菌材料及其制备方法，该方法制备的复合光热抗菌材料能够实现小尺寸纳米fes粒子和聚多巴胺的化学动力和光动力的协同增强效应，抗菌性能好，制备方法简便、成本低、毒性小。本发明制备的复合光热抗菌材料在抑菌、杀菌领域均有广泛的应用前景，能够用于制备光热抗菌药物或外伤感染治疗药物。
7.本发明为实现上述目的采用如下技术方案，一种聚多巴胺/硫化亚铁复合光热抗菌材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤s1：将盐酸多巴胺溶于去离子水中，再加入亚铁盐进行反应得到多巴胺与亚铁离子的配合物溶液，其中亚铁盐为七水硫酸亚铁、四水氯化亚铁或醋酸亚铁中的一种或多种；步骤s2：向步骤s1得到的配合物溶液中加入碱调节溶液的ph值为7.5~10.5，使多巴胺在碱性条件下于室温进行原位聚合反应，反应结束后经离心分离、洗涤和干燥处理制得pda-fe(ii)前驱体，所述碱为tris碱、氨水或氢氧化钠中的一种或多种；步骤s3：将步骤s2得到的pda-fe(ii)前驱体分散于去离子水中，引入硫源，于室温
搅拌反应，最后离心分离、洗涤和干燥处理制得聚多巴胺/硫化亚铁纳米复合材料，所述硫源为硫化钠、硫脲或硫代乙酰胺中的一种或多种。
8.进一步限定，步骤s1中所述盐酸多巴胺水溶液中盐酸多巴胺单体浓度为0.5~2mg/ml，所述多巴胺与亚铁离子的配合物溶液中多巴胺与亚铁离子的摩尔比为1:1~5:1。
9.进一步限定，步骤s2中原位聚合反应时间为12~24h，步骤s3中搅拌反应时间为2~6h。
10.本发明所述的聚多巴胺/硫化亚铁复合光热抗菌材料，其特征在于是由上述方法制备得到的，该聚多巴胺/硫化亚铁复合光热抗菌材料主要由聚多巴胺和硫化亚铁构成，其中聚多巴胺由多巴胺-铁离子螯合物原位聚合而成，硫化亚铁负载于聚多巴胺内部和表面，该聚多巴胺/硫化亚铁复合光热抗菌材料的平均粒径为200nm，具有纳米棒组成的六边形纳米柱结构。
11.本发明所述聚多巴胺/硫化亚铁复合光热抗菌材料在制备光热抗菌药物或光热外伤感染治疗药物中的应用。
12.进一步限定，光热条件为近红外光照射处理。
13.本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：（1）本发明所涉及原料聚多巴胺为仿生材料，铁和硫均为人体必需元素，所得抗菌材料具有较高的生物相容性和较低的生物毒性。
14.（2）本发明所述有机无机杂化的复合纳米材料制备方法简单，条件温和，成本低廉，绿色环保。
15.（3）聚多巴胺与硫化亚铁均有宽的光响应范围，光热转换效率高，能实现光催化和光热协同作用，抗菌活性较高。
附图说明
16.图1为pda@fes纳米复合材料的合成路线示意图；图2为pda@fes纳米复合材料的透射电镜（tem）照片；图3为pda、pda-fe(ii)、pda@fes纳米复合材料的zeta电位图；图4为pda@fes纳米复合材料的xps全谱；图5为pda@fes纳米复合材料的fe 2p高分辨能谱；图6为pda@fes纳米复合材料的s 2p高分辨能谱；图7为pda、pda-fe(ii)、pda@fes纳米复合材料的可见-近红外漫反射图谱；图8为pda@fes纳米复合材料的光热转换性能；图9为pda@fes纳米复合材料对大肠杆菌（e. coli）的杀菌效果图；图10为pda@fes纳米复合材料对金黄色葡萄球菌（s. aureus）的杀菌效果图。
具体实施方式
17.以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
18.实施例1
聚多巴胺/硫化亚铁纳米复合材料的合成步骤s1：pda-fe(ii)配合物的制备将0.40g盐酸多巴胺溶于200ml去离子水中，室温下磁力搅拌30min后，加入0.196g硫酸亚铁，溶液迅速变成浅绿色，搅拌30min，加入0.484gtirs碱，溶液立即变成紫红色并逐渐加深。于室温搅拌反应24h，离心分离收集沉淀，洗涤、干燥，得到聚多巴胺/亚铁离子配合物（pda-fe(ii)）。
19.步骤s2：pda@fes纳米复合材料的合成称取0.1g步骤s1得到的聚多巴胺/亚铁离子配合物分散在40ml去离子水中，磁力搅拌1h后，然后滴加10ml硫化钠水溶液，于室温搅拌反应12h，离心分离收集沉淀，洗涤、干燥，得到聚多巴胺/硫化亚铁纳米复合材料（pda@fes）。
20.图2是实施例1制得的pda@fes纳米复合材料的电镜照片。由扫描电镜照片可以看出样品为纳米棒组成的六边形纳米柱，粒径约为200nm；粗糙的表面由fes量子点构成，表明聚多巴胺载体能有效控制硫化亚铁的团聚。
21.图3是pda、pda-fe(ii)、pda@fes纳米复合材料的zeta电位图。如图所示，由于聚多巴胺表面富含苯氧负离子，单纯的聚多巴胺表面电位为-10mv；加入亚铁盐后，pda-fe(ii)聚合物表面电位变为+22mv，表明亚铁离子成功引入；进一步引入硫源后，硫离子将与多巴胺螯合的铁离子夺走形成硫化亚铁，重新游离出氧负离子，使pda@fes纳米复合材料表面电位再次变为负值，zeta电位约为-55mv，较大的zeta电位绝对值预示其具有较好的稳定性。
22.图4是pda@fes纳米复合材料的x-射线光电子能谱（全谱）。可以看出，除了碳、氧和氮，pda@fes复合材材料还含有铁和硫两种元素。
23.图5是pda@fes纳米复合材料的fe 2p 高分辨能谱。从fe 2p的高分辨xps谱中可解析出710.92ev的峰，其对应于fe(ii)
−
s，表明样品的中铁主要以亚铁形式存在。
24.图6是pda@fes纳米复合材料的s2p高分辨能谱。s 2p高分辨xps谱图中，163.50ev处的峰归因于fes，与fe 2p谱图分析结果相对应，证明成功合成硫化亚铁纳米材料。
25.实施例2光热性能测试将pda@fes纳米复合材料样品配制成不同浓度的水溶液，在光功率密度为1w/cm2的808nm近红外光下照射，用电子传感热电偶温度计监控溶液温度变化。每30s记录一次实时温度，测验其光热升温效果。照射10min后，纯水的温度升高幅度仅为0.6℃，而当样品浓度为10μg/ml、20μg/ml、100μg/ml、250μg/ml和500μg/ml时，分别升高了0.9℃、6.4℃、10.0℃、16.5℃和21.6℃。
26.图7为pda、pda-fe(ii)、pda@fes纳米复合材料的可见-近红外漫反射图谱，三种样品在可见-近红外光区均具有较强的吸收，尤其pda@fes纳米复合材料在808 nm处的吸收最强，说明其具有获得较高光热转换效率的必备基础。
27.图8为pda@fes纳米复合材料的光热转换性能测试图（808nm，1w/cm2），如图所示的升温曲线显示样品在近红外激光器的照射下能够快速升温，且升温速率具有明显的浓度依赖性，预示材料具有较好的光热治疗效果。
28.实施例3抗菌活性测试
基于pda@fes纳米复合材料的光热性能及fes纳米酶的催化活性，pda@fes纳米复合材料具备类酶催化与光热协同的抗菌作用。选用革兰氏阴性菌大肠杆菌（e.coli）和革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌（s.aureus）对其光热协同抗菌效果进行验证。具体方法为：菌液活化后，取100μl加入到100ml新鲜的lb培养基中，在37℃恒温振荡培养箱中以200r/min的速度孵育一夜，获得吸光度（od600nm）为1.0左右的菌液，浓度约为1*10
9 cfu/ml。然后将菌液连续稀释合适的倍数，得到实验用e. coli细菌分散液。最后，采用平板计数法测定活菌总数，取100μl的稀释液分别均匀涂在固体培养基上，在37℃恒温培养箱中培养24h左右，计数并记录形成的菌落。无样品和无激光照射的细菌液设为对照组。近红外光照光源为808nm激光器，激光照射功率为2000mw/cm2，照射时间为每组10min。
29.图9为pda@fes纳米复合材料对e. coli的抗菌效果图。由图9结果所示，仅pda@fes纳米复合材料处理和仅nir照射的实验组与对照组相比，细菌菌落数没有明显减少，排除了材料本身对e.coli的毒性，以及单纯的近红外光对e.coli 的杀伤作用。当用近红外光照射处理e.coli，pda@fes纳米复合材料能够通过活性氧（ros）产生及局部升温的协同作用，对e.coli表现出显著的抑菌效果，且杀伤效果具有浓度依赖性，浓度为100μg/ml和250μg/ml时，杀菌率分别为63%和85%，浓度达到500μg/ml能够全部杀灭细菌。
30.图10为pda@fes纳米复合材料对s.aureus的抗菌效果图，可以看出与图9相似的实验结果。在无近红外辐射的情况下，对金黄色葡萄球菌活性的影响可以忽略不计，表明在暗光下pda@fes纳米复合材料本身对细菌没有杀伤作用，具有较好的生物相容性。选择合适浓度的pda@fes纳米复合材料时，利用近红外光对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌都能够有效杀伤。由此，pda@fes纳米复合材料具有优秀的杀菌能力，在近红外光激发下可以完全抑制细菌生长甚至彻底灭活，展现出作为新型纳米抗菌材料的潜在价值。
31.以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。