一种具有光热光动力双光疗性能的碳点及其制备方法与应用与流程

本发明属于抗菌治疗，涉及一种具有光热光动力治疗抗菌性能碳点的制备及其在抗菌中的应用。

背景技术：

1、细菌感染引起的一系列并发症，如肺炎、脑膜炎、皮肤溃疡等疾病对人类的健康造成巨大的威胁。常见的伤口表面细菌感染是治疗这类疾病的障碍之一，为了解决这一问题，抗生素、抗菌肽和季铵盐化合物已被研究和广泛应用。其中，抗生素作为有效的抗菌药物被广泛开发。但随着耐药细菌的不断出现，许多抗生素在治疗细菌感染方面变得越来越无效，这可能导致感染时间延长，费用增加，甚至增加常见细菌感染的死亡率。然而，新型抗生素面临开发成本高、有效时间短等问题，使得抗生素的开发跟不上耐药菌的出现速度，不能从根本上解决细菌耐药的问题。因此，开发一种新型抗菌药物替代传统抗生素治疗细菌感染具有重要的现实意义。

2、近年来，光热疗法(ptt)因其具有无创、靶向选择性治疗、副作用小等独特优点，被认为是抗菌、消毒和肿瘤治疗的一种很有效的方法。它是通过光敏剂在合适光源(一般是780nm～1100nm范围的近红外光)存在的情况下，将光能转换成热能，破坏细菌的细胞膜和相关蛋白从而杀死细菌的治疗方法。与传统的抗生素治疗相比，ptt具有对多种病原体(甚至是抗生素耐药菌和生物膜中的细菌)具有广谱抗菌活性、治疗时间短(仅几分钟)以及细菌耐药性可忽略不计等诸多优势。

3、光动力抗菌(pdt)，是一种新兴的非侵入性抗菌疗法。pdt可以在特定波长的可见光光源(一般波长为660nm)激发下激活目标位置处的光敏剂，产生具有细胞毒性的活性氧，氧化组成细胞结构的多种生物大分子，例如蛋白质、核酸、脂类等，致使细胞结构发生由内而外的破坏，从而导致细菌死亡。

4、然而，单一ptt会因局部过热等问题破坏正常组织细胞，单一pdt也同样需要大量的ros来杀死细菌，过量的ros会引起正常细胞的炎症、纤维化和坏死。因此，ptt与pdt协同抗菌具有巨大的应用潜力，因为ptt不依赖氧气，在近红外光照射下可以产生热量，可弥补长时间pdt在杀菌效率上的缺陷，从而达到更好的杀菌效果。

5、高分子纳米材料、金纳米棒、石墨烯等都具有良好的光热转换性能，将光能转化为热能用于杀菌。碳基纳米材料(碳纳米管、碳纳米颗粒、碳点等)是目前研究的最多、最为广泛的一类优异的光热剂，此类光敏剂具有光稳定性好、光热转换效率高、生物相容性好、绿色安全、低成本的优点。目前针对碳点抗菌的研究以ptt或pdt单模式为主，亦有少数报道采用碳点与其他光敏剂结合形成复合光敏剂，实现将光热ptt和光动力pdt结合协同作用，或者是以较低波长光源(660nm)对碳点进行辐照产生作用。因此，开发同时具有光热和光动力双光疗性能的绿色安全且可以在近红外光照射下的新型碳点是抗菌治疗的一个重要研究方向。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的第一个目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种具有光热光动力双光疗性能的碳点。

2、需要说明的是，碳点因具有良好的水溶性、高稳定性、低毒性、优良的生物相容性和低环境影响等特性，可应用在多种体系环境，如碳点可负载在水凝胶、气凝胶、纤维膜或者制备成含碳点的水溶液，用于医疗领域。

3、因此，本发明致力于开发一种同时具有光热和光动力协同抗菌性能的新型碳点，以对正常组织安全的近红外光照射实现细菌感染治疗，以综合优点解决细菌感染单一模式治疗的缺点，该协同抗菌材料和治疗模式对治疗细菌感染意义重大。

4、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

5、一种具有光热光动力双光疗性能的碳点，所述碳点为采用一步水热法制备具有pdt与ptt协同抗菌的碳点；所述碳点是以季铵盐作为碳源，负载铜离子制备得到；且所述碳点为cuqacds。

6、进一步需要说明的是，单一ptt会因局部过热等问题破坏正常组织细胞，单一pdt也同样需要大量的ros来杀死细菌，过量的ros会引起正常细胞的炎症、纤维化和坏死。具有光热转换特性的碳点(cds)能在近红外光激发下提高局部温度，引起细菌dna损伤和蛋白质变性。虽然避免了耐药菌的出现，但因其对光的吸收通常在短波区，使其应用条件较为苛刻，同时还存在造成人体正常组织和细胞的二次伤害的风险，也限制了其在临床中的广泛使用。

7、因此，本发明以具有抗菌性的季铵盐作为碳源，所制备的碳点可保留其抗菌性能，同时通过掺杂金属铜离子，增加碳点在近红外区的吸收，提高其光热性能，有利于细菌损伤。另外，铜离子本身也具有抗菌性，在结合季铵盐杀伤细菌机理的基础上，通过在单一近红外波长激发下实现pdt与ptt协同治疗，有助于克服耐药性问题，在抗菌领域具有良好的应用潜力。

8、具体地，碳点是一种尺寸低于10nm、超细、分散、准球形的碳纳米颗粒，其可以通过物理作用破坏细胞膜结构和诱导增加ros引起氧化损伤实现消灭细菌的目的；另外，部分cds具有光热转换特性，可以在光源激发下提高局部温度，引起细菌dna损伤和蛋白质变性。碳点的c＝c键的p-p相互作用，使得大多数碳点的吸收通常在短波长区，与其他波长的光相比，近红外光(780～2526nm)可以有较好的组织穿透性，对皮肤和组织的伤害最小。另外，细菌细胞膜因含有的脂多糖和磷脂酸成分，表面呈现负电荷，表面带正电荷的cds容易通过静电相互作用被吸附在细菌细胞表面，从而更有效地杀死细菌。

9、因此，通过掺杂带正电荷的铜离子对碳点进行改性，一方面增强碳点在近红外区域的吸收，提高近红外光热性能；另一方面，铜离子掺杂的碳点还保留了铜离子本身的较强的杀菌能力，增强碳点的抗菌性。

10、此外，季铵盐(qac)作为一类广泛应用于抗微生物领域的化学试剂，具有对例如藻类、细菌、真菌、病毒等微生物的广泛杀伤效果。其可通过其结构中带有正电的氮原子与疏水长链实现抗菌效果。其中，氮原子与细胞膜中的磷脂酸结合，疏水尾部穿透细胞膜内部的疏水结构，从而实现细胞膜的破坏。由于部分碳点会保留原料中的活性结构，因此选择qac作为碳源，使碳点保留qac的活性基团，使碳点具有一定的抗菌性能。

11、本发明的第二个目的是提供如上所述的具有光热光动力双光疗性能碳点的制备方法。

12、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

13、一种具有光热光动力双光疗性能碳点的制备方法，所述方法具体包括如下步骤：

14、称取铜盐和季铵盐，加入水搅拌溶解；随后水热反应，待反应结束后静置至室温，过滤，透析纯化并冷冻干燥制得所述具有光热光动力双光疗性能的碳点。

15、值得说明的是，本发明公开采用一步水热法制备具有pdt与ptt协同抗菌的碳点，以自身具有抗菌性的季铵盐作为碳源，保留了抗菌性能；同时，负载具有抗菌性的铜离子，不仅提高了碳点的光热性能，同时增强了抗菌效果。该发明不仅解决了传统抗生素治疗细菌感染所产生的耐药性问题，还解决了pdt与ptt单一疗法的缺点和问题，如ptt低温下抗菌效率低；pdt与ptt需要不同的波长激发等。

16、可选地，所述铜盐为二水合氯化铜、硫酸铜、碳酸铜或硝酸铜，所述季铵盐为烯丙基三甲基氯化铵、双葵基二甲基氯化铵或双烷基二甲基氯化铵；且所述铜盐与季铵盐的质量比为1：5-3：1。

17、可选地，所述的水热反应温度为150-210℃，水热反应时间为3-8h；优选地水热反应温度为180℃，水热反应时间为6h。

18、可选地，所述的溶液浓度为0.25～2mg/ml，所述的激光照射参数如下：

19、在0.5～2.0w/cm2，808nm激光照射5-20min。

20、本发明的第三个目的是提供如上所述的具有光热光动力双光疗性能碳点在抗菌中的应用。

21、与现有技术相比，本发明公开的一种具有光热光动力双光疗性能的碳点及其制备方法与应用，具有如下优异效果：

22、1)本发明以具有良好抗菌活性的季铵盐为碳源，经简单的一步水热法合成了碳点；所制备的碳点不仅保留了季铵盐原有的抗菌活性，同时表现出碳点优异的光学性能。

23、2)本发明中铜离子的负载，增强了碳点在近红外区域的吸收，提高近红外光热性能；同时铜离子掺杂的碳点还保留了铜离子本身的较强的杀菌能力，增强碳点的抗菌性。

24、3)与传统的抗生素疗法相比，本发明所制备的cuqacds表现出光热光动力协同抗菌机制，综合了光热和光动力治疗模式，发挥二者的协同作用。

25、4)与单一光热治疗在近红外下激发，单一光动力治疗在可见光下激发的双光源激发相比，本发明所制备的cuqacds只需在单一波长(近红外808nm)下激发便可同时实现光热和光动力协同治疗效果，更简洁高效。