专利名称：基于用支链多糖稳定的金属纳米颗粒的纳米复合物材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及由稳定在支链阳离子多糖基体中的金属纳米颗粒形成的纳米复合物 材料，及其制备和应用于生物医学、药学和食品领域中的用途。技术现状金属纳米颗粒的制备是纳米技术所高度关注的研究领域；实际上，许多金属具有 通常与纳米尺度相关的独特的光学性能、抗微生物性能和催化性能。具体地，金属诸如例如 银的广谱抗微生物活性具有显著的应用利益。另一方面，细菌、真菌和病毒感染在许多情形 中代表一个严重问题，并且因此具有广泛抗微生物谱的产品的实现是感到特别需要的。事 实上，金属例如银、金、铜、锌和镍在抗微生物材料领域中的使用对市场具有重大影响，特别 是治疗局部组织损害(topic tissue lesion)的市场，因此，例如，诸如Johnson&Johnson 和Corwatec 的公司最近已经出售基于银纳米颗粒的抗微生物性能的药物。通常，在还原剂和稳定剂的存在下从金属盐溶液获得纳米颗粒，稳定剂用来防止 纳米颗粒聚集。为了稳定纳米颗粒，适当稀释的聚合物溶液被广泛使用，所述适当稀释的 聚合物溶液允许获得纳米复合物系统，其中金属颗粒结果是均勻分散的。对于上述应用， 聚合电解质溶液例如多磷酸盐、聚丙烯酸盐、聚(乙烯基硫酸盐)、聚(丙烯胺)(Henglein， Α.，J. Phys. Chem. 1993，97 (21)，5457-5471)、聚(乙烯亚胺)(Kuo，P. L. ；Chen, W. F. J. Phys. Chem-B 2003，107 ，11267-11272 ;Dai 等人(Nano Lett. 2002，2 (5)，497-501))是特别 有效的。通常，获得金属纳米颗粒的形成所需要的组分是适当的金属盐、还原剂和充当用 于胶状悬浮的稳定剂的聚合物。US 2007/00036031 (Karandikar等人)公开了用于在溶剂、稳定剂、表面活性剂、 还原剂和加热的存在下形成银纳米颗粒的方法。在稳定剂中，提到了聚合物例如聚丙烯酰 胺和聚山梨醇酯20。在专利W02007/147094A2 (Sambhy V.等人)中描述了合成阳离子聚合物基体中的 纳米复合物系统，其特征在于叔氮原子(ternary nitrogen atom)或季氮原子(quaternary nitrogen atom)，其中稳定纳米颗粒的聚合物是聚(4-乙烯基吡啶)衍生物，并且溴化银被 用来形成这些银纳米颗粒。专利W02007/017901A2 (Omray P.等人)报道了例如通过使用聚山梨醇酯、丙二醇
和没食子酸丙酯分散的银纳米颗粒的配方。在专利W02007/096606A1 (Crowther N.等人)中描述了用于释放金属纳米颗粒的 方法，该金属纳米颗粒是在用于抗微生物应用的稳定聚合物的存在下制备的。提到的聚合 物有聚(甲基丙烯酸)、聚酰亚胺、聚(乙烯醇)及其共聚物。专利W02007/001453aacaman Μ.等人)报道了通过使用甘油或乙二醇既作为还 原剂又作为纳米结构溶剂和通过使用聚(乙烯吡咯烷酮)作为纳米颗粒的涂层剂，在多元 醇和聚合物的存在下合成银纳米颗粒。注意到，银离子的化学还原机理基于存在于多元醇 中的羟基的氧化和C-C键的断裂。
对于生物医学领域的应用，基于多糖的系统是特别受关注的，因为这些聚合物通 常是生物相容的，并且因此适合于涉及与生物组织直接接触的应用。在天然多糖中，较多 地被研究且商业上使用的天然多糖之一是壳聚糖。这是一种碱性多糖，具有50到1500kDa 的分子量，由通过β 1 — 4键与来自不完整的壳质脱乙酰化的散布的残基N-乙酰基-葡萄 糖胺单元结合的直链的D-葡萄糖胺(GlcNH2)残基组成。这种多糖在中性或碱性水溶液中 通常不可溶；在PH等于或小于5的酸性溶液中，游离的氨基被质子化，从而使得聚合物可 溶。这种聚合物已广泛使用于医学领域，因为其呈现低的免疫原性、病理性或感染性响应 (Suh Francis J. K. , Matthew H. W. Τ. Biomaterials, 2000, 21, 2589-2598 ；Miyazaki S.等 人，Chem. Pharm. Bull.，1981，29，3067-3069)。由于壳聚糖的物理-化学性能例如在酸性溶 液中的高阳离子电荷密度、其高加工性能以及在例如可植入细胞的地方产生多孔结构的能 力，壳聚糖具有被用作生物材料的所有理想的特征。实际上，壳聚糖在生物医学和食品领域 中的许多用途是公知的。由于这些性能，壳聚糖及其衍生物两者还被用来稳定纳米颗粒。在专利W02007/025917Al(khmid H.等人)中提到了在壳聚糖以及壳聚糖衍生物 和盐例如羧甲基壳聚糖、壳聚糖醋酸盐和壳聚糖乳酸盐的存在下制备银纳米颗粒。在专利US 2008/0147019 (Song Xuedong)中，将市售的预先形成的金属纳米颗粒 添加到壳聚糖盐和壳聚糖衍生物，而不是具有糖特性(saccharidic nature)的支链衍生 物；这些纳米颗粒需要进一步氧化以提供抗菌活性，因为银离子(Ag+)被指出作为唯一的抗 菌剂。在专利W02008/076339 (Schauer C等人)中，市售的金属纳米颗粒包括在基于不 溶于水的交联壳聚糖的材料中。网状壳聚糖被用来制备多层膜以支撑纳米颗粒，纳米颗粒 被用作染色剂并且被用作检测水中的污染物的传感器。若干最近的研究已集中于改进用于提高壳聚糖的生物效应的方法。具体地，大部 分努力都涉及增加聚合物的阳离子特征或通过(生物)化学改性来改变其化学特征和生物 利用率。具体地，用糖基团进行的壳聚糖改性，例如通过利用还原性胺化反应而插入乳糖 单元，导致较高水溶性的壳聚糖衍生物，如在US 4, 424, 346 (Hall, L. D.和Yalpani，M·)中 所提到的，并且壳聚糖确实是以这些衍生的形式获得最有益的性能用于用作高度生物相容 的生物材料。概述本发明的第一目的是获得纳米复合物材料，其中，金属纳米颗粒是被稳定的并且 是尺寸受控制的，而纳米复合物材料的性能特别适合用于生物医学和光学(生物传感器) 领域。另一个目的是利用非复杂的且经济上有优势的化学方法，并且特别是通过胶体溶 液可获得这样的纳米复合物，其中金属纳米颗粒由适当的多糖溶液来稳定。另一个目的是通过使用商业上可轻易获得的多糖并且使这些多糖避免经受化学 操作以及避免对这些系统的复杂的制备操作的需要来改进这些系统。另一个目的是在中性pH和生物医学应用中所需的大的离子强度的条件下，获得 在水系统中完全可溶的系统。为了达到上述目的，本发明人开发了基于支链阳离子多糖的合适的可溶的多糖系统，其允许获得稳定的、尺寸受控制的金属纳米颗粒。这些程序基于在外来的还原剂的存在 或不存在下将含水聚合物溶液和金属盐的水溶液混合。该混合程序可在中性PH下的水系 统中便利地进行，并且不需要加热，因为其可在室温下轻易地进行。因此，在第一方面，本发明的目的由纳米复合物材料给出，所述纳米复合物材料的 特征在于其包括由支链阳离子多糖组成的聚合物基体和分散在这种聚合物基体中的金属 纳米颗粒。优选的阳离子多糖是壳聚糖的支链衍生物，其中形成壳聚糖直链的D-葡萄糖胺 单元借助于碳原子C2上的官能团-NH-而连接由通式(I)表示的彼此相同或不同的糖醇性 的(alditolic)或糖醛性的(aldonic)多元醇残基
权利要求
1. 一种纳米复合物材料，其包括由阳离子多糖组成的聚合物基体以及分散在其上的金 属纳米颗粒，所述阳离子多糖选自壳聚糖的支链衍生物，其中形成所述壳聚糖直链的D-葡 萄糖胺单元借助于碳原子C2上的官能团-NH-而连接由通式(I)表示的彼此相同或不同的 糖醇性的或糖醛性的多元醇残基其中
2.如权利要求1所述的纳米复合物材料，其中所述纳米颗粒是金属纳米颗粒，所述金 属选自由以下组成的组银、金、钼、铜、锌、镍及其混合物。
3.如权利要求1所述的纳米复合物材料，其中所述糖醇性的或糖醛性的多元醇残基是 包括1到3个糖苷单元的单糖或寡糖的残基。
4.如权利要求1所述的纳米复合物材料，其中当札是单糖时，所述单糖选自由以下组 成的组半乳糖、葡萄糖、甘露糖、N-乙酰基葡萄糖胺和N-乙酰基半乳糖胺。
5.如权利要求1所述的纳米复合物材料，其中所述糖醇性的或糖醛性的多元醇残基选 自由以下组成的组乳糖、纤维二糖、纤维三糖、麦芽糖、麦芽三糖、壳二糖、壳三糖、甘露二 糖及其醛糖酸的残基。
6.如权利要求1所述的纳米复合物材料，其中所述壳聚糖的支链衍生物具有高于20% 的D-葡萄糖胺单元的胺基团的取代度。
7.如权利要求6所述的纳米复合物材料，其中所述取代度包括在从50%到80%的范围内。
8.如前述权利要求中的一项所述的纳米复合物材料，其中所述壳聚糖具有高达 1500kDa的平均分子量。
9.如权利要求8所述的纳米复合物材料，其中所述壳聚糖具有包括在从400kDa到 700kDa的范围内的平均分子量。
10.如权利要求1所述的纳米复合物材料，其中所述纳米颗粒具有包括在从5到150nm 的范围内的平均粒度。
11.如权利要求10所述的纳米复合物材料，其中所述纳米颗粒具有包括在从30到 50nm的范围内的平均粒度。
12.如权利要求1所述的纳米复合物材料，其中包含在以g多糖计的所述多糖基体中的 以mg计的金属质量包括在3000mg/g到0. 3mg/g的范围内。
13.如权利要求12所述的纳米复合物材料，其中包含在以g多糖计的所述多糖基体中 的以mg计的金属质量为50mg/g。
14.权利要求1-13中的一项所述的纳米复合物材料作为抗微生物剂的用途。
15.权利要求1-13中的一项所述的纳米复合物材料在SERS(表面增强拉曼光谱)应用 中的用途。
16.权利要求1-13中的一项所述的纳米复合物材料的制备方法，其包括至少以下步骤a)制备浓度高达2%(w/v)的支链阳离子多糖的水溶液；b)制备浓度包括在从0.ImM到14mM的范围内的金属盐的水溶液；c)将所述金属盐溶液添加到所述多糖溶液并搅勻以还原所述金属离子和形成金属纳 米颗粒的胶体溶液，其中还原的所述金属纳米颗粒是均勻地分散的。
17.如权利要求16所述的制备方法，其还包括添加浓度包括在从0.05mM到IOmM的范 围内的还原剂的水溶液。
18.如权利要求16所述的制备方法，其中所述多糖浓度包括在从0.05%(w/v)到 (w/v)的范围内，并且所述盐浓度包括在从ImM到14mM的范围内。
19.如权利要求18所述的制备方法，其中所述多糖浓度为0.2%(w/v)，并且所述盐浓 度为ImM。
20.如权利要求17所述的制备方法，其中所述还原剂的浓度为0.5mM。
21.权利要求1到13所述的纳米复合物材料作为抗微生物剂的用途。
22.如权利要求21所述的纳米复合物材料的用途，所述纳米复合物材料与药学上可接 受的赋形剂和/或稀释剂结合用于治疗不同解剖学部位的无伤或受伤的皮肤、黏膜和上皮 组织的感染。
23.权利要求1到13所述的纳米复合物材料在分子生物传感器中的用途。
24.权利要求1到13所述的纳米复合物材料作为在高分子材料的活化表面上的多糖涂 层的用途。
25.权利要求1到13所述的纳米复合物材料在与其他多糖的混合物中用于制备包装膜 的用途。
26.包括权利要求1到13所述的纳米复合物材料的组合物，其用于治疗不同解剖学部 位的无伤或受伤的皮肤、黏膜和上皮组织的感染。
27.如权利要求沈所述的组合物，其中所述纳米复合物在与中性或阴离子的非-凝胶 化的阴离子多糖的混合物中，所述中性或阴离子的非-凝胶化的阴离子多糖选自由以下组 成的组右旋糖苷、透明质酸、羧甲基纤维素和半乳甘露聚糖。
28.包括权利要求1到13所述的纳米复合物材料的设备在治疗不同解剖学部位的无伤 或受伤的皮肤、黏膜和上皮组织的感染中的用途。
29.如权利要求28所述的设备，其中所述纳米复合物在与中性或阴离子的非-凝胶化的阴离子多糖的混合物中，所述中性或阴离子的非-凝胶化的阴离子多糖选自由以下组成 的组右旋糖苷、透明质酸、羧甲基纤维素和半乳甘露聚糖。
全文摘要
本发明提供了由用支链阳离子多糖(特别是壳聚糖的糖醇性的或糖醛性的单糖和寡糖衍生物)稳定的金属纳米颗粒制得的纳米复合物系统，以及它们在还原剂的存在或不存在下利用这些多糖的水溶液可获得的制备方法。这些多糖特殊的化学和物理-化学特征允许形成均匀分散在多糖基体中的金属纳米颗粒及其有效的稳定。与纳米尺寸相关的性能和对聚合物链的生物信号的存在可用于抗微生物活性和分子生物传感器的应用中。
文档编号C08B37/00GK102105494SQ200980128743
公开日2011年6月22日 申请日期2009年7月22日 优先权日2008年7月23日
发明者伊万·多纳蒂, 伊莲诺·马斯奇, 塞乔·保莱蒂, 安德烈·特拉万 申请人:的里雅斯特大学