一种双药联合智能抗菌水凝胶的制备方法及其应用与流程

本发明涉及生物医药技术领域，具体涉及一种双药联合智能抗菌水凝胶的制备方法及其应用。

背景技术：

细菌感染的治疗是生物医学领域最具挑战性的课题之一，细菌感染至今仍对人类生活造成严重威胁。研究显示，身体严重受创患者因体表生理防护屏障受损、免疫功能下降、坏死组织大量蓄积等，会极易遭受外界及内源脏器微生物侵袭而导致感染，且一旦遭受感染，常伴随整个病程，对患者造成极大的痛苦。因此，提高创伤感染的诊治水平对降低患者的痛苦与死亡率具有重要意义。

妥布霉素(tob)，是一种快速杀菌剂。又称安欣、抗普霉素等，是一种氨基糖苷类抗生素，妥布霉素的抗菌机制主要是与细菌核糖体30s亚基结合，阻断细菌蛋白质合成从而杀灭细菌，其对革兰阴性菌特别是铜绿假单胞菌具有高效的杀灭作用。对皮肤、软组织感染、烧伤等也具有良好的治疗作用。虽然妥布霉素具有优良的杀菌作用，但是临床使用氨基糖苷类抗生素会受到低浓度造成细菌生物膜得形成或高剂量使用会造成耳毒性和肾毒性等不良副作用的影响，因此限制了其在临床上的应用。

磺胺嘧啶是一种慢速杀菌剂，具有广谱及较强的抗菌活性，对革兰阳性及阴性菌均有抑制作用，其抗菌机制是通过与对氨基苯甲酸(paba)竞争细菌的二氢叶酸合成酶，导致细菌体内叶酸合成受阻而使细菌的生长、繁殖受挫，从而抑制细菌增长。但是由于目前许多临床常见病原菌对该类药物耐药，所以其临床应用受到了一定的限制。

临床采用的简单药物叠加不能改变药物固有的体内动力学特征和组织分布特性，而药物的药效及毒副作用与其体内吸收、分布和摄取密切相关。将联用药物负载于同一载体同步靶向传递至病变部位，以最佳的剂量比对细胞增殖过程进行多重机制的抑制或阻断，有望使特定药物组合达到最佳协同效果并同时提高药物疗效和有效降低毒副作用。因此，亟需一种简单方法制备得到联合给药系统，用于妥布霉素和磺胺嘧啶联合给药，实现高效杀菌和按需给药，降低药物的毒副作用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种双药联合智能抗菌水凝胶的制备方法及其应用，该水凝胶具有ph敏感特性，可以在炎症微酸性环境下有效释放药物，实现药物的按需释放，避免抗生素的过量使用，降低药物的毒副作用，同时负载两种杀菌药物磺胺嘧啶和妥布霉素，通过不同机制杀灭细菌增加了抗菌效果，抗菌效果优异。

为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

提供一种双药联合智能抗菌水凝胶的制备方法，主要包括以下步骤：

(1)室温下，以高碘酸钠为氧化剂，使得右旋糖酐(dex)部分氧化开环，羟基氧化为醛基，得到产物氧化右旋糖酐(odex)，其反应式为：

(2)磺胺嘧啶(sd)和步骤(1)得到的产物odex进行席夫碱反应，磺胺嘧啶中的伯氨基与odex中的醛基反应生成ph敏感性亚胺键，得到产物odex/sd，其反应式为：

(3)步骤(2)得到的产物odex/sd与妥布霉素(tob)进行交联反应，冷冻干燥即得双药联合智能抗菌水凝胶，

按上述方案，所述步骤(1)中，右旋糖酐和高碘酸钠的质量比为2～1:1。

按上述方案，步骤(1)具体为：将dex溶于去离子水中，搅拌条件下向其中滴加入高碘酸钠水溶液，避光搅拌2～4h，滴加乙二醇，再避光搅拌1～2h，去离子水透析24～48h，冷冻干燥得odex。

按上述方案，所述步骤(2)中，磺胺嘧啶和odex的质量比为1：10～5。

按上述方案，步骤(2)具体为：将适量磺胺嘧啶溶解于二甲亚砜中，在45～50℃温度下滴加入odex水溶液中，避光搅拌反应2～4h，随后抽滤除去未反应的磺胺嘧啶，去离子水透析24～48h，冷冻干燥即得产物odex/sd。

按上述方案，所述步骤(3)中，所述步骤(3)中，所述odex/sd和妥布霉素的质量比为3～10：1，优选为5～6：1。

按上述方案，步骤(3)具体为：将产物odex/sd和妥布霉素分别溶于去离子水中得水溶液，再将两种水溶液混合，然后30～40℃反应20s～25min，冷冻干燥即得水凝胶。

按上述方案，所述步骤(1)中，所述右旋糖酐的分子量为40-60kda。

提供上述方法制备得到的双药联合智能抗菌水凝胶在制备抗菌药物中的应用，所述抗菌药物同时负载磺胺嘧啶和妥布霉素。

本发明借助无毒无害，生物相容性好且价廉易得的右旋糖酐作为载体，应用高碘酸钠氧化法将其氧化为醛基化右旋糖酐，然后通过席夫碱反应生成ph敏感性亚胺键，使其与抗菌药物磺胺嘧啶键合，最后通过醛基与带有氨基的抗生素妥布霉素进行交联，制备得到了ph敏感性抗菌水凝胶，该水凝胶在抗菌以及烧伤感染治疗领域有广阔的应用前景。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明选择价廉易得，无毒无害且生物相容性好的氧化右旋糖酐作为水凝胶基质，接枝磺胺嘧啶，使用妥布霉素作为联用药物和交联剂，即可得到双载药的抗菌水凝胶，制备过程操作简单且易于控制，反应条件温和，所得水凝胶具有均匀分布的空洞结构，连续性好，结构稳定，易于保存。

(2)本发明所得水凝胶具有ph敏感性，可在细菌感染处(ph约为5.0)释放抗菌药物磺胺嘧啶与抗生素妥布霉素，两种药物通过不同机制杀灭细菌增加了抗菌效果，而在正常细胞环境下，可控制药物释放，防止抗生素的过量使用，实现药物的按需释放，降低药物的毒副作用。

(3)本发明所制备的水凝胶既可以注射使用，也可在感染部位小面积外敷使用，使用便捷，抗菌效果优异。

附图说明

图1为本发明实施例2中的反应原料dex、中间产物odex以及odex/sd的红外光谱图。

图2为本发明实施例2中反应原料dex，中间产物odex以及odex/sd的¹h-nmr图谱。

图3为本发明实施例2中反应原料dex，中间产物odex以及odex/sd的uv-vis图谱。

图4为本发明实施例2中最终产物水凝胶的扫描电镜图。

图5为本发明实施例2中最终产物水凝胶在不同ph释放介质中的释药曲线。

图6为本发明实施例各组水凝胶以及对照材料对金黄色葡萄球菌的体外抗菌性能结果。

具体实施方式

为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例进行进一步说明。

实施例1

提供一种双药联合智能抗菌水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)将1g右旋糖酐(dex，分子量为40kda)溶于去离子水中，配置成0.1g/ml的dex溶液，磁力搅拌，缓慢滴加8ml高碘酸钠(0.5m，107mg/ml)溶液于dex溶液中，室温条件下搅拌避光反应4h，随后加入2.4ml乙二醇用于终止反应，继续在室温避光条件下搅拌反应2h，之后将混合溶液置于透析袋中，用去离子水进行透析(mwco:3500)，透析48h后，冷冻干燥48h后即得odex。采用盐酸羟胺滴定法测定其氧化度，方法如下：称取odex，用适量盐酸羟胺溶液(0.25m)将之溶解于去离子水中，加入ph指示剂甲基橙，室温下放置，随后用naoh溶液(0.1m)滴定，当溶液略微变黄即停止。氧化度计算公式如下：

式中，v1：样品液消耗naoh(0.1m)的体积(ml)；

v0：空白液消耗naoh(0.1m)的体积(ml)；

m：naoh(0.1m)溶液的摩尔浓度；

mw：dex链上dex单位的重量即160；

w：所称取的odex的重量(g)。

通过上述方法计算得odex的氧化度为28.8％。

(2)称取1g冻干的odex溶于去离子水中，配置成0.1g/mlodex溶液，再将适量磺胺嘧啶(sd)溶解于二甲亚砜(dmso)中，配置为0.1g/ml的溶液，取2ml磺胺嘧啶溶液滴加到odex溶液中，水浴加热50℃，避光搅拌反应3.5h，抽滤除去未反应的磺胺嘧啶，去离子水透析48h除去二甲亚砜(mwco:3500)，冷冻干燥获得产品odex/sd。

随后进行sd载药量与接枝率的测定，具体方法如下：a.sd标准曲线的绘制：称取适量磺胺嘧啶溶解于0.1m盐酸中，使成1mg/ml的溶液，随后用pbs(ph＝7.4)稀释，使成以下浓度的标准液：4.0μg/ml，8.0μg/ml，12.0μg/ml，16.0μg/ml，20.0μg/ml，以pbs为空白对照，在243nm处测试各个标准液的吸光度(a)，做回归方程，得到磺胺嘧啶标准曲线。b.odex/sd接枝率的测定：称取一定量的odex和odex/sd样品，分别溶解于一定量稀盐酸中，随后用pbs稀释，配置为浓度为0.05g/l的溶液。以odex的吸光度作为背景，测定odex/sd样品的吸光度，记录数据，根据(标准曲线方程由吸光度计算出样品中磺胺嘧啶的浓度，再根据公式计算得到odex/sd载药量及(drugloadingcapacity)接枝率(graftingratio)。

式中，csd:uv-vis光谱测得的sd浓度(μg/ml)；

vsolution：混合溶液体积(ml)；

mdrugs：odex-sd投入的质量(μg)；

nsd：投入的odex/sd中sd物质的量(mol)；

n醛基：投入的odex/sd中醛基物质的量(mol)。

通过上述方法测得odex/sd中sd的载药量为4％，接枝率为8.88％。

(3)称取0.1g冷冻干燥后的odex/sd溶于去离子水中，配置成0.1g/ml的odex/sd溶液。称取50mg妥布霉素(tob)溶于去离子水中，配置成0.05g/ml的妥布霉素溶液，然后在小玻璃瓶中加入250μlodex/sd溶液，再加入50μl妥布霉素溶液，充分搅拌后于37℃恒温静置，25分钟后成胶，即得产物双药联合智能抗菌水凝胶。

实施例2

提供一种双药联合智能抗菌水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)将1gdex(dex，分子量为40kda)溶于去离子水中，配置成0.1g/ml的dex溶液，磁力搅拌，缓慢滴加8ml高碘酸钠(0.5m，107mg/ml)溶液于dex溶液中，室温条件下搅拌避光反应4h，随后加入2.4ml乙二醇用于终止反应，继续在室温避光条件下搅拌反应2h，之后将混合溶液置于透析袋中，用去离子水进行透析(mwco:3500)，透析48h后，冷冻干燥48h后即得odex。所制备odex氧化度28.8％。

(2)称取1g冻干的odex溶于去离子水中，配置成0.1g/ml的odex溶液，再将适量磺胺嘧啶溶解于二甲亚砜(dmso)中，配置为0.1g/ml的溶液，取2ml滴加到odex溶液中，水浴加热50℃，避光搅拌反应3.5h，抽滤除去未反应的磺胺嘧啶，去离子水透析48h除去二甲亚砜(mwco:3500)，冷冻干燥获得产品odex/sd。sd的载药量为4％，接枝率为8.88％。

(3)称取0.1g冷冻干燥后的odex/sd溶于去离子水中，配置成0.1g/ml的odex/sd溶液。称取50mg妥布霉素(tob)溶于去离子水中，配置成0.05g/ml的妥布霉素溶液，然后在小玻璃瓶中加入225μlodex/sd溶液，再加入75μl妥布霉素溶液，充分搅拌后于37℃恒温静置，3分钟后成胶，即得产物双药联合智能抗菌水凝胶。

为充分了解本实施例制备的odex/sd/tob抗菌水凝胶的各项性能，分别对其进行了相应的测试，包括ftir、¹h-nmr、uv-vis、sem以及体外药物释放性能实验，具体如下：

(1)红外表征

分别对实施例2的原料dex、中间产物odex和odex/sd取样进行红外光谱分析，所得谱图如图1所示。其中dex的红外图谱图从左至右3431cm^-1处强且宽的吸收峰为dex分子上羟基o-h的伸缩振动,在2929cm^-1处的吸收峰为亚甲基上c-h的伸缩振动1429cm^-1与1376cm^-1处有-c-o-的伸缩振动与-oh的弯曲振动耦合产生的两个吸收峰；1161-915cm^-1间有dex糖环的特殊振动吸收峰。以上结果表明dex中存在-oh、-ch2和-c-o-c。

odex的红外图谱与dex相比，在1744cm^-1处增加了一个吸收峰，这是醛基上的-c＝o-的伸缩振动峰，其他dex的特征峰仍然存在，说明dex分子上的羟基经氧化部分地变成了醛基，并且odex与dex的基本结构仍很相似。

odex/sd的红外光谱与odex相比，因为odex中的醛基并未完全反应完，所以1744cm^-1处的吸收峰依然存在，新增加的1506cm^-1、1036cm^-1以及673cm^-1均为磺胺嘧啶中苯环的特征吸收峰，1462cm^-1以及1421cm^-1处的吸收峰是磺胺嘧啶中c＝n的伸缩振动峰，1268cm^-1以及1152cm^-1处的峰为磺胺嘧啶中s＝o的伸缩振动峰，1598cm^-1处的吸收峰为亚胺键上c＝n的伸缩振动所致，从而以此可以表明磺胺嘧啶通过亚胺键成功接枝在了odex上。

(2)核磁共振氢谱的表征

分别对实施例2中的原料dex，中间产物odex和odex/sd取样进行核磁分析，所得谱图如图2所示。dex和odex的¹h-nmr图谱中，位于δ3.4-δ4.0ppm之间的峰是dex分子中h-2到h-6的峰，比较氧化前后的dex的氢谱图可以看出，与dex明显不同的是，odex在δ4.8-δ5.8ppm之间出现了新的归属于半缩醛基团的峰。这可能是由于dex上的羟基被部分氧化成酸基后，未被氧化的轻基与相邻的酸基发生反应生成环状的半缩醛结构，较游离酸更为稳定。

通过odex与odex/sd的对比，两图中均有δ8.3与δ7.0分别为sd芳杂环c、c’与d的质子峰，δ7.7与δ6.6分别为sd苯环上a、a’位与b、b’位的质子峰。不同的是，odex/sd中δ6.0的sd伯胺根(-nh2)质子峰消失，证明sd以亚胺键成功接枝到odex上。

(3)紫外分光光度表征

分别对实施例2中的原料dex，中间产物odex和odex/sd取样进行紫外光谱测定，所得图谱如图3所示。由图3可知dex和odex的紫外光谱具有显著的区别,dex在扫描的波长范围(200-600nm)内无吸收峰,odex在236nm处有吸收峰，证明dex成功被氧化为odex。

对比odex与odex/sd的图谱，可看出odex/sd在扫描的波长范围(200-600nm)内有三个明显的吸收峰，分别在212nm，239nm与268nm处，证明sd成功接枝到odex上。

(4)水凝胶的表征

实施例2制备得到的终产物odex/sd/tob水凝胶冻干样品断面的扫描电镜图如图4所示，放大倍数为100(左图)和1000倍(右图)。由放大100倍图片可知该水凝胶具有均匀分布的孔洞结构，连续性好；放大到1000倍后，可以看到孔洞结构平滑而完整，并且具有一定的厚度，证明了该水凝胶具有优良的三维空间结构。

(5)水凝胶的ph响应释药

研究实施例2中智能抗菌水凝胶在ph5.0和ph7.4的pbs缓冲液(0.1m)中磺胺嘧啶与妥布霉素的释放行为，结果如图5所示。由图可知，该水凝胶在酸性环境中的药物释放速率明显高于其在ph7.4的pbs缓冲溶液中的释放速率。在72小时内，ph7.4的pbs缓冲溶液介质中，实施例2水凝胶样品种磺胺嘧啶累计释放率约为5.4％，妥布霉素累计释放率约为5.3％；而在ph5.0的pbs缓冲溶液中，该水凝胶的磺胺嘧啶累计释放率约为51.9％，妥布霉素累计释放速率约为53.8％。在15天内，ph5.0的缓冲溶液介质中，该水凝胶的磺胺嘧啶累计释放率约为73.3％，妥布霉素累计释放速率约为70.4％。以上结果充分说明了该水凝胶具有明显的ph敏感性，且具有缓释特性，可以实现在感染环境的按需释放。

实施例3

提供一种双药联合智能抗菌水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)将1gdex(dex，分子量为40kda)溶于去离子水中，配置成0.1g/ml的dex溶液，磁力搅拌，缓慢滴加8ml高碘酸钠(0.5m，107mg/ml)溶液于dex溶液中，室温条件下搅拌避光反应4h，随后加入2.4ml乙二醇用于终止反应，继续在室温避光条件下搅拌反应2h，之后将混合溶液置于透析袋中，用去离子水进行透析(mwco:3500)，透析48h后，冷冻干燥48h后即得odex。所制备odex氧化度为28.8％。

称取1g冻干的odex溶于去离子水中，配置成0.1g/ml的odex溶液，再将适量磺胺嘧啶溶解于二甲亚砜(dmso)中，配置为0.1g/ml的溶液，取2ml滴加到odex溶液中，水浴加热50℃，避光搅拌反应3.5h，抽滤除去未反应的磺胺嘧啶，去离子水透析48h除去二甲亚砜(mwco:3500)，冷冻干燥获得产品odex/sd。sd的载药量为4％，接枝率为8.88％。

(3)称取0.1g冷冻干燥后的odex/sd溶于去离子水中，配置成0.1g/ml的odex/sd溶液。称取50mg妥布霉素溶于去离子水中，配置成0.05g/ml的妥布霉素溶液，然后在小玻璃瓶中加入200μlodex/sd溶液，再加入100μl妥布霉素溶液，充分搅拌后于37℃恒温静置，1分钟后成胶，即得产物双药联合智能抗菌水凝胶。

实施例4

提供一种双药联合智能抗菌水凝胶的制备方法，包括以下步骤：

(1)将1gdex(dex，分子量为40kda)溶于去离子水中，配置成0.1g/ml的dex溶液，磁力搅拌，缓慢滴加8ml高碘酸钠(0.5m，107mg/ml)溶液于dex溶液中，室温条件下搅拌避光反应4h，随后加入2.4ml乙二醇用于终止反应，继续在室温避光条件下搅拌反应2h，之后将混合溶液置于透析袋中，用去离子水进行透析(mwco:3500)，透析48h后，冷冻干燥48h后即得odex。所制备odex氧化度为28.8％。

(2)称取1g冻干的odex溶于去离子水中，配置成0.1g/ml的odex溶液，再将适量磺胺嘧啶溶解于二甲亚砜(dmso)中，配置为0.1g/ml的溶液，取2ml滴加到odex溶液中，水浴加热50℃，避光搅拌反应3.5h，抽滤除去未反应的磺胺嘧啶，去离子水透析48h除去二甲亚砜(mwco:3500)，冷冻干燥获得产品odex/sd。sd的载药量为4％，接枝率为8.88％。

(3)称取0.1g冷冻干燥后的odex-sd溶于去离子水中，配置成0.1g/ml的odex/sd溶液。称取50mg妥布霉素溶于去离子水中，配置成0.05g/ml的妥布霉素溶液，然后在小玻璃瓶中加入180μlodex/sd溶液，再加入120μl妥布霉素溶液，充分搅拌后于37℃恒温静置，20秒后成胶，即得产物双药联合智能抗菌水凝胶。

研究上述实施例1-4所制备的水凝胶对金黄色葡萄球菌的体外抑菌效果，具体实验操作如下：该实验在96孔板中进行，共9组，每组五个复孔。a组每孔中加入odex溶液60μl，b组每孔加入odex/sd溶液60μl，c组每孔加入sd溶液60μl(sd含量与b组实施例2在ph5.0条件下24h释放的sd物质的量相等)，d组每孔加入tob溶液60μl(tob含量与b组实施例2水凝胶在ph5.0条件下24h释放的tob物质的量相等)，e组每孔加入odex/tob水凝胶60μl(tob的含量与实施例2水凝胶相同)，f组每孔加入实施例1水凝胶60μl，g组每孔加入实施例2水凝胶60μl，h组每孔加入实施例3水凝胶60μl，i组每孔加入实施例4水凝胶60μl。每组材料添加完成后，再向每孔添加100μl金黄色葡萄球菌菌液(约为104cfu/ml)，于37℃恒温震荡箱中培养24h后，采用平板涂布计数法检测活细菌密度。另外在孔中不加任何抑菌材料，测定其于37℃恒温震荡箱中培养24h后的活细菌密度记为100％，用于对照，测试结果见图6。

图6显示：对比实施例2水凝胶和对照组，单独odex抗菌能力最差，而freesd溶液组、freetob溶液组的抗菌效果均分别略逊于odex/sd和odex/tob组，这可能是由于freesd与freetob不能像odex/sd和odex/tob缓慢按需释放药物从而更好地展现抗菌作用；实施例2水凝胶与对照组相比，协同作用显著，较单一药物抗菌效果有显著提升，抗菌性能优异。对比实施例1-4，理论上，tob浓度越高，水凝胶的抗菌效果应该越好，但随着tob浓度增大，所形成水凝胶骨架的致密度越高，越不利于药物分子的释放，因此水凝胶的抗菌能力在一定程度上有所削弱。因此，随着实施例1-4中tob浓度升高，抗菌效果有先增加后降低的趋势。