基于ATP激活的级联反应的复合材料及其制备方法和应用

本发明属于抗菌，具体涉及一种基于atp激活的级联反应的复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、细菌感染是一个世界性的人类健康问题，导致炎症，截肢，甚至死亡。抗生素是常用的抗菌的方法，但是抗生素不能破坏细菌生物膜，而且其滥用引起了耐药性，两者都降低了抗菌效率。

2、羟自由基已应用于抗菌领域，其可以通过氧化蛋白质，脂质和dna杀死细菌，破坏细菌生物膜。与传统抗生素不同，羟自由基通过强氧化性抗菌，不产生耐药性。过氧化氢(h2o2)是一种常见的被用于生成羟自由基的物质。通常，为了达到所需要的抗菌效率，需要高浓度的h2o2，这样不仅会对正常细胞造成伤害，而且会加重炎症、延缓伤口的愈合。构建基于葡萄糖氧化酶和类过氧化物酶的级联反应是避免h2o2毒副作用的有效途径。但是，葡萄糖触发级联反应后生成的羟自由基半衰期短，扩散距离窄，不能长时间存在。而且由于羟自由基有限的扩散距离，使得其难以有效地靶向作用于细菌，从而影响抗菌活性和生物安全性。因此，开发一种高效和按需释放羟自由基的级联反应系统具有重大意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种基于atp激活的级联反应的复合材料及其制备方法和应用，具体采用以下的技术方案：

2、一种基于atp激活的级联反应的复合材料，上述复合材料是由g-四链体(g4)作为基本单元，将g4封装于沸石型咪唑骨架-8(zif-8)中，然后与葡萄糖氧化酶(gox)共包埋在聚丙烯酰胺水凝胶微球中得到；上述g4是由富含鸟嘌呤碱基序列的单链dna与氯化血红素或血红素结合得到。

3、本发明选用的g4是富含鸟嘌呤碱基序列，在金属离子(特别是k+)存在下，通过hoog steen型碱基配对连接形成的堆叠阵列，构成独特高阶空间结构的核酸酶，其具有类过氧化物酶活性。但是，将g4封装于zif-8中(形成g4@zif-8)，其空间结构会被破坏而失去活性。将g4@zif-8与葡萄糖氧化酶(gox)共包埋在聚丙烯酰胺水凝胶微球中，制得g4@zif-8/gox@paam(gzgp)抗菌系统。没有细菌时，gzgp处于非激活状态。但当有细菌存在时，细菌分泌的atp可以降解zif-8，从而使得包埋的g4得到释放，g4恢复原有的空间构象，表现出过氧化物酶活性。此时，gzgp体系被激活，其g4可以与gox发生级联反应产生具有强杀菌能力的羟自由基，实现羟自由基的高效和按需缓释，结果导致细菌死亡。另一方面，当羟自由基破坏细菌膜后，从死亡细菌中泄露出的atp又可以加速gzgp的活化，从而进一步提高抗菌效率。除此之外，当没有细菌存在时该系统则表现为无毒。

4、作为进一步优选的实施方式，上述g4具体是由以下步骤得到：

5、s1：将富含鸟嘌呤碱基序列的单链dna溶于缓冲液中，加热到95℃，在此温度下保持5min后，冷却到室温并保持30min，以解离任何分子间的相互作用，然后将等量的kcl溶液加入到上述溶液中，室温孵育30min-50min得到第二溶液；

6、s2：将原液加入到第二溶液中，并在室温下孵育50min-70min后得到；所述原液是由血红素或氯化血红素溶于溶剂中得到。g4由四种鸟嘌呤通过hoogsteen型碱基配对组合而成，钾离子可以通过与鸟嘌呤的氧配位而稳定g4空间结构，与血红素或氯化血红素结合后，g4具有良好的类过氧化物酶性质。此方法，这种独特的g4使得每个血红素分子或氯化血红素分子都保持着较高的催化活性构象，并且具有优越的稳定性。

7、作为进一步优选的实施方式，上述原液优选为氯化血红素溶于溶剂中得到。氯化血红素是天然血红素的体外纯化形式，一般都是从动物血液中分离，提纯出来的。血红素主要存在于动物的血液和肌肉中，是动物血液中的天然色素。由原卟啉ix与铁(ii)络合形成，结晶呈蓝黑色，不溶于水，可与蛋白质结合成复合蛋白质，即血红蛋白(hb)或肌红蛋白(mb)。氯化血红素(氯化高铁血红素：血晶素)是人工合成的血红素的氯化物，其化学性质与血红素类似，但是氯化血红素(生物铁)相较与血红素其纯度高，生物利用度高。

8、作为进一步优选的实施方式，上述溶剂优选为二甲基亚砜。

9、作为进一步优选的实施方式，上述缓冲液为tris缓冲液，ph为7.4。

10、作为进一步优选的实施方式，上述s1中的孵育时间为40min，s2的孵育时间为60min。

11、本发明还提供了上述基于atp激活的级联反应的复合材料的制备方法，包括以下步骤：

12、将g4溶液和二甲基咪唑混合，然后加入醋酸锌，搅拌，水洗后得到g4@zif-8；然后将g4@zif-8、葡萄糖氧化酶、丙烯酰胺、bis和pi配置成酶/预凝胶溶液后，进行促酶/预凝胶溶液凝胶化，即得到gzgp(g4@zif-8/gox@paam)。

13、作为进一步优选的实施方式，g4@zif-8、葡萄糖氧化酶、丙烯酰胺、bis和pi的用量比例为2mg：2mg：150mg：10mg：10mg。

14、作为进一步优选的实施方式，上述采用微流控技术促酶/预凝胶溶液凝胶化。

15、本发明的有益效果为：

16、本发明提出的基于atp激活的级联反应的复合材料能够应用在抗菌与伤口治理材料中，其可以利用细菌分泌出来的atp分解zif-8，使g4恢复原有的空间构象，表现出过氧化物酶活性与葡萄糖氧化酶发生级联反应产生具有强杀菌能力的羟自由基，达到高效和按需抗菌的目的。另外，当羟自由基破坏细菌膜时，从死亡细菌中泄露出的atp也可以加速gzgp的活化，从而进一步提高抗菌效率。

技术特征：

1.一种基于atp激活的级联反应的复合材料，其特征在于，所述复合材料是将g4封装于沸石型咪唑骨架-8，然后与葡萄糖氧化酶共包埋在聚丙烯酰胺水凝胶微球中得到；所述g4是由富含鸟嘌呤碱基序列的单链dna与氯化血红素或血红素结合得到。

2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述g4具体是由以下步骤得到：

3.根据权利要求2所述的复合材料，其特征在于，所述原液是由氯化血红素溶于溶剂中得到。

4.根据权利要求2所述的复合材料，其特征在于，所述溶剂为二甲基亚砜。

5.根据权利要求2所述的复合材料，其特征在于，所述缓冲液为tris缓冲液，ph为7.4。

6.根据权利要求2所述的复合材料，其特征在于，所述s1中的孵育时间为40min，s2中的孵育时间为60min。

7.一种权利要求1-6任一项所述的复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的制备的方法，其特征在于，所述g4@zif-8、葡萄糖氧化酶、丙烯酰胺、bis和pi的用量比例为2mg：2mg：150mg：10mg：10mg。

9.根据权利要求7所述的制备的方法，其特征在于，采用微流控技术促酶/预凝胶溶液凝胶化。

10.一种权利要求1-6任一项所述的复合材料在抗菌与伤口治理材料中的应用。

技术总结
本发明属于抗菌技术领域，具体涉及一种基于ATP激活的级联反应的复合材料及其制备方法和应用。该复合材料是将G4封装于沸石型咪唑骨架‑8中，然后与葡萄糖氧化酶共包埋在聚丙烯酰胺水凝胶微球中得到。该复合材料能够应用在抗菌与伤口治理材料中，其可以利用细菌分泌出来的ATP分解ZIF‑8，使G4恢复原有的空间构象，表现出过氧化物酶活性与葡萄糖氧化酶发生级联反应产生具有强杀菌能力的羟自由基，达到高效和按需抗菌的目的。除此之外，当羟自由基破坏细菌膜时，从死亡细菌中泄露出的ATP也可以加速GzGp的活化，从而进一步提高抗菌效率。

技术研发人员：谭宏亮,陈惠红
受保护的技术使用者：江西师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16