酶响应性抗菌界面材料的制备及抗菌研究

作     者：郝彦沙 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘鹏;蔡开勇;罗章凯

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：壳聚糖 纳米银 介孔硅纳米粒子 酶响应性 抗菌性 

摘      要：微生物,如细菌,广泛存在于空气、水、土壤、动物和人体中。材料表面的细菌粘附、聚集和生长对日常生活和工业生产造成了严重影响。然而,常规材料本身不具有抗细菌污染的能力。以银为基础的材料(如银纳米颗粒)具有广谱抗菌、抗真菌和抗病毒的能力,其在许多消费品和医疗器械中作为抗菌材料得到了广泛的应用。一般来说,银离子在低浓度下被认为是安全的,但是如果在短时间内释放出大量的银就会引起细胞毒性。因此,必须避免银纳米粒子对周围环境和人体的负面影响。本论文以层层自组装技术(LBL)为核心,材料表面构建了两种细菌酶响应性抗菌界面材料。在细菌分泌的相关酶作用下,可控释放出银纳米粒子或者银离子,快速和高效的杀灭材料表面及周围的细菌,抑制细菌在材料表面形生物膜。这类新型酶响应性抗菌材料,具有环境友好、人体安全、广谱、无毒副作用、长效和低成本等优势。本论文主要内容如下:(1)透明质酸酶响应性抗菌界面的制备和研究首先,我们以壳聚糖为修饰剂,抗坏血酸为还原剂,通过液相化学还原合成了壳聚糖-银复合纳米粒子(CS@Ag NPs),进而,在材料表面沉积聚多巴胺,将带正电荷的不同浓度的CS@Ag NPs和带负电荷的透明质酸(HA)进行层层组装,在三种代表性材料(聚乙烯、玻璃、金属)上构建酶响应性多层膜。透射电子显微镜(TEM)测试结果表明:CS@Ag NPs的平均粒径约为20nm;紫外-可见光谱(UV-Vis)表明CS@Ag NPs在400 nm波长出现增强峰;X射线衍射(XRD)分析可知CS@Ag NPs在(111)、(200)、(220)、(311)和(222)出现了五个特征峰,而且图谱上无杂峰,因此CS@Ag NPs具有高纯度和面心立方晶型结构;X-射线光电子能谱(XPS)分析结果证实:抗坏血酸作为还原剂,能够将银离子完全还原为银单质。电感耦合等离子光谱(ICP)测试结果表明:透明质酸酶能使多层膜迅速崩解而快速释放出Ag离子;扫描电镜和接触角测试结果表明CS@Ag NPs/HA多层膜在材料表面成功构建。通过MTT法测定材料短期时间细菌活性,涂布平板法测定材料储存1天和28天后的抑菌率,结果表明:制备的CS@Ag NPs/HA多层膜界面显示出良好的抗菌能力。激光共聚焦和抑菌圈检测表明抗菌界面不仅具有高效的杀菌效果,还具有阻止细菌粘附的作用。(2)谷氨酰内切(V8)酶响应性抗菌界面的制备和研究首先,通过一步法合成了载银MCM-41型介孔二氧化硅纳米粒子(Ag-MSN),然后,将聚L谷氨酸(PLGA)和聚烯丙基胺盐酸盐(PAH)层层组装在Ag-MSN上构建酶响应性Ag-MSN@LBL纳米粒子;进而,将Ag-MSN@LBL纳米粒子沉积在聚多巴胺改性的材料表面,制备谷氨酰内切酶响应性界面材料。TEM测试结果表明:合成的Ag-MSN纳米粒子为球形,直径大约为200-300nm。分散在介孔二氧化硅表层Ag纳米粒子的直径分布为10-20 nm。UV-Vis测试结果显示:Ag-MSN纳米粒子在416.5nm有增强的吸收峰。Zeta电位、水力学尺寸、XPS和XRD检测证明Ag纳米颗粒成功负载于在介孔硅表面,PLGA/PAH多层膜顺利包裹在Ag-MSN纳米粒子外面形成Ag-MSN@LBL纳米粒子。细菌活性、细菌粘附及抑菌率检测结果表明:材料表面沉积Ag-MSN@LBL颗粒后,具有较高的抑菌率,且细菌粘附较少。通过聚合酶链式反应(PCR)技术和SEM电镜观察:推测材料界面的抗菌机理,主要是基于Ag离子破坏膜功能,干扰黏附介导蛋白的产生以及产生活性氧。综上可知,两种酶响应抗菌界面材料是基于银离子的可控释放来实现进行杀菌效果,高剂量银离子的释放能达到高效的杀菌,但同时大量的银离子在人体积累会带来的很大的副作用,因此,其应用性只能局限于体外的一些设施,如公共设施、外置的医疗设施。