一种细菌水解酶响应型水凝胶抗菌敷料及其制备方法

1.本发明涉及生物医用材料领域，具体涉及一种细菌水解酶响应型水凝胶抗菌敷料及其制备方法。


背景技术：

2.皮肤是哺乳动物最大的器官，在防止体液流失、调节体温和保护各种组织免受微生物入侵等方面发挥着关键作用。皮肤容易因各种因素而发生损伤，如烧伤、创伤或糖尿病溃疡等，而损伤的皮肤如果进一步受到细菌感染则会使愈合过程受阻，甚至导致脓毒症，严重威胁患者的生命健康。
3.水凝胶类抗菌伤口敷料是目前干预和管理皮肤损伤伤口的重要生物医学应用工具，与传统常规的织物材料制备伤口敷料相比，水凝胶类抗菌敷料有如下三大明显的优势：(1)首先，水凝胶类抗菌敷料可以提供湿润的皮肤组织接触环境，吸收伤口渗出液，不与组织粘连从而避免更换敷料时带来的二次损伤；其次其具有良好的细胞相容性，可以促进皮肤组织的修复和再生；第三，水凝胶类抗菌敷料可物理或化学方式装载抗菌药物，提供其在使用时的抗菌性能。目前常被水凝胶类抗菌敷料装载的抗菌药物包括无级抗菌剂、抗生素、生物提取物抗菌剂和人工合成抗菌剂。
4.然而，目前的载药水凝胶类抗菌敷料的缓释系统只能减少药物的突释，不能根据细菌或代谢物的数量来控制药物的释放。在治疗前期，低于最低抑菌浓度(the minimum inhibitory concentration，mic)的释放量不仅无法避免伤口感染，还会会造成细菌耐药等问题；而在治疗后期，不必要的释药过程使得伤口部位的组织需要遭受过量抗菌药物带来的细胞毒性。因此，实现抗菌药物的精确智能释放，减少其细胞毒性一直是抗菌水凝胶的发展目标。


技术实现要素：

5.基于现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供了一种细菌水解酶响应型水凝胶抗菌敷料的制备方法，该制备方法先以细菌胞外酶底物与抗菌药物进行装载反应，随后复合海藻酸钠溶液制备水凝胶前驱体，经凝胶成胶反应后，得到的细菌水解酶响应型水凝胶抗菌敷料可实现智能药物控制释放的功效，有效防止抗菌药物在使用时释放量不足或过多；该制备方法工艺步骤简单，对生产设备要求低，可实现工业化规模生产。
6.为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
7.一种细菌水解酶响应型水凝胶抗菌敷料的制备方法，包括以下步骤：
8.(1)将细菌胞外水解酶底物溶液与抗菌药物溶液混合并在40～50℃下进行装载反应1～3h，得装载溶液a；所述细菌胞外水解酶底物溶液与抗菌药物溶液的体积比为(1～10)：1，细菌胞外水解酶底物溶液的浓度为1～8wt％，抗菌药物溶液的浓度为0.1～0.5mg/ml；
9.(2)在装载溶液a中加入海藻酸钠溶液，随后在40～60℃下混合反应至所得混合溶
液颜色均匀且静置12h后不分层，得凝胶前驱体b；所述装载溶液a与海藻酸钠溶液的体积比为1：(2～4)，海藻酸钠溶液的浓度为1～5wt％；
10.(3)将凝胶前驱体b与钙离子源混合并在25～37℃下成胶反应，即得所述细菌水解酶响应型水凝胶抗菌敷料。
11.本发明所述细菌水解酶响应型水凝胶抗菌敷料以细菌胞外水解酶底物与抗菌药物配合搭载，随后通过海藻酸钠凝胶体系制备水凝胶类抗菌敷料，由于该结构的特殊性，抗菌药物的装载量不会过低，也不会造成药物团聚，所述产品在使用时可被外部细菌分泌的胞外酶降解，从而实现抗菌药物的释放，此时水凝胶抗菌敷料的凝胶体中含有钙离子源，在其被降解的同时钙离子可以调控细菌胞外水解酶的活性，促进或抑制酶降解过程(在没有细菌的时候，不释放抗菌药物；在细菌数量较少，胞外酶分泌量不够时，释放低浓度的钙离子以促进细菌胞外水解酶的活性，从而实现促进药物释放的功效；在所释放的药物浓度足够杀灭全部细菌时，通过累计的高浓度钙离子以抑制细菌胞外水解酶的活性)，进而实现抗菌药物的加量释放或停止(减少)释放，改善抗菌药物的不可控毒性。此外，各使用的原料组分均是天然生物大分子物质，因此产品具有生物相容性高的优势，而海藻酸钠作为多糖分子，其制备的凝胶体系可以很好地起到模拟细胞外基质的效果，为伤口愈合提供良好环境。
12.优选地，所述细菌胞外水解酶底物溶液的溶质为胶原蛋白、明胶、丝素蛋白、透明质酸、核酸、纤维素中的至少一种，所述细菌胞外水解酶底物溶液的溶剂为去离子水。
13.根据实际细菌的种类差异，本领域技术人员可以采用合适的细菌胞外水解酶底物制备本发明产品，而上述优选的细菌胞外水解酶底物则可被常见细菌的分泌的胶原酶、明胶酶、蛋白酶、透明质酸酶、核酸酶和纤维素酶进行降解。
14.优选地，所述抗菌药物溶液的溶质为水溶性抗菌药物。
15.更优选地，抗菌药物溶液的溶质为环丙沙星、万古霉素、氨苄青霉素钠、头孢唑林、蒜素、姜黄素、壳聚糖、聚集诱导发光分子、金属有机框架物中的至少一种。
16.根据所需抗菌的细菌类型不同，所述抗菌药物可以选择抗生素类的药物、生物提取物类的药物或者一些新型的非生物来源抗菌剂。
17.优选地，所述步骤(3)中的钙离子原为氯化钙溶液，所述氯化钙溶液的浓度为0.5～2.5wt％。
18.钙离子源的浓度需要保持在一个适中的范围，若初始浓度过低，则难以起到促进细菌分泌胞外水解酶的活性，但若浓度过高，则可能在产品使用时便直接抑制细菌的分泌酶活性，难以起到抗菌药物释放的作用。
19.本发明的另一目的在于提供所述细菌水解酶响应型水凝胶抗菌敷料的制备方法制备得到的细菌水解酶响应型水凝胶抗菌敷料。
20.本发明所述细菌水解酶响应型水凝胶抗菌敷料中抗菌药物可以在细菌分泌的胞外水解酶的作用下得到释放，同时产品中含有的钙离子可以有效调控胞外水解酶的活性，进而调整抗菌药物的释放速率，减少药物本身的毒性危害，同时水凝胶体系带来的模拟环境也可有效提升伤口的杀菌治愈速率，非常适用于治疗外部皮肤损伤；该产品在使用时仅需直接覆盖在皮肤伤口处并固定即可，非常方便。
21.本发明的有益效果在于，本发明提供了一种细菌水解酶响应型水凝胶抗菌敷料及其制备方法，该产品以细菌胞外水解酶底物与抗菌药物配合搭载，随后通过海藻酸钠凝胶
体系制备水凝胶类抗菌敷料，由于该结构的特殊性，抗菌药物的装载量适中，所述产品在使用时可被外部细菌分泌的胞外酶降解，从而实现抗菌药物的释放，此时水凝胶抗菌敷料的凝胶体中含有钙离子源，在其被降解的同时钙离子可以调控细菌胞外水解酶的活性，促进或抑制酶降解过程，进而实现抗菌药物的加量释放或停止(减少)释放，改善抗菌药物的不可控毒性。产品制备使用的原料组分均是天然生物大分子物质，因此具有生物相容性高的优势，而水凝胶体系本身也为伤口愈合提供良好的生理环境，非常适用于治疗外部皮肤损伤。
附图说明
22.图1为本发明效果例1中探究细菌水解酶响应型水凝胶抗菌敷料的制备方法中制备装载溶液a时参数优选性时的三水平正交实验结果示意图；
23.图2为本发明效果例1中实施例1制备的抗菌药物溶液、细菌胞外水解酶底物溶液、所得装载溶液a以及对照组样品的红外谱图；
24.图3为本发明效果例2中实施例1制备的海藻酸钠溶液、凝胶前驱体b以及对照组样品的红外谱图；
25.图4为本发明效果例3细菌水解酶响应型水凝胶抗菌敷料中钙离子对细菌胞外水解酶的活性影响测试结果；其中4a为钙离子对细菌胞外水解酶活性的影响关系图；4b为细菌水解酶响应型水凝胶抗菌敷料中钙离子释放与时间的关系图；4c为细菌水解酶响应型水凝胶抗菌敷料的酶促降解关系图；4d为细菌水解酶响应型水凝胶抗菌敷料中抗菌药物的酶促降解释放关系图；
26.图5为本发明效果例3细菌水解酶响应型水凝胶抗菌敷料在细菌环境下抗菌药物释放效果测试中对照组的测试结果图；
27.图6为本发明效果例3细菌水解酶响应型水凝胶抗菌敷料在细菌环境下抗菌药物释放效果测试中实验组的测试结果图。
具体实施方式
28.为了更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例及对比例对本发明作进一步说明，其目的在于详细地理解本发明的内容，而不是对本发明的限制。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明实施所设计的实验试剂及仪器，除非特别说明，均为常用的普通试剂及仪器。
29.实施例1
30.本发明所述细菌水解酶响应型水凝胶抗菌敷料及其制备方法的一种实施例，所述制备方法包括以下步骤：
31.(1)将细菌胞外水解酶底物溶液与抗菌药物溶液混合并在50℃下进行装载反应1h，得装载溶液a；所述细菌胞外水解酶底物溶液与抗菌药物溶液的体积比为8：1，细菌胞外水解酶底物溶液的浓度为3wt％(分析纯级别纤维素粉溶于去离子水制备的纤维素溶液)，抗菌药物溶液的浓度为0.25mg/ml(水溶性aie分子ttpy-nh3溶于去离子水制备的ttpy-nh3溶液)；
32.(2)在装载溶液a中加入海藻酸钠溶液，随后在40℃下混合反应至所得混合溶液颜色均匀且静置12h后不分层，得凝胶前驱体b；所述装载溶液a与海藻酸钠溶液的体积比为1：2，海藻酸钠溶液的浓度为2.5wt％(分析纯级别海藻酸钠溶于去离子水制备的海藻酸钠溶液)；
33.(3)将凝胶前驱体b置于圆盘型模具中，与钙离子(氯化钙水溶液，浓度为2wt％)源混合并在25～37℃下静置20min成胶，即得所述细菌水解酶响应型水凝胶抗菌敷料；所述凝胶前驱体b与钙离子源的体积之比为1:3。
34.实施例2
35.本发明所述细菌水解酶响应型水凝胶抗菌敷料及其制备方法的一种实施例，所述制备方法包括以下步骤：
36.(1)将细菌胞外水解酶底物溶液与抗菌药物溶液混合并在50℃下进行装载反应1h，得装载溶液a；所述细菌胞外水解酶底物溶液与抗菌药物溶液的体积比为10：1，细菌胞外水解酶底物溶液的浓度为2wt％(分析纯级别透明质酸溶于去离子水制备的纤维素溶液)，抗菌药物溶液的浓度为0.5mg/ml(水溶性aie分子ttpy-nh3溶于去离子水制备的ttpy-nh3溶液)；
37.(2)在装载溶液a中加入海藻酸钠溶液，随后在40℃下混合反应至所得混合溶液颜色均匀且静置12h后不分层，得凝胶前驱体b；所述装载溶液a与海藻酸钠溶液的体积比为1：3，海藻酸钠溶液的浓度为3wt％(分析纯级别海藻酸钠溶于去离子水制备的海藻酸钠溶液)；
38.(3)将凝胶前驱体b置于圆盘型模具中，与钙离子(氯化钙水溶液，浓度为1.5wt％)源混合并在25～37℃下静置20min成胶，即得所述细菌水解酶响应型水凝胶抗菌敷料；所述凝胶前驱体b与钙离子源的体积之比为1:3。
39.实施例3
40.本发明所述细菌水解酶响应型水凝胶抗菌敷料及其制备方法的一种实施例，所述制备方法包括以下步骤：
41.(1)将细菌胞外水解酶底物溶液与抗菌药物溶液混合并在50℃下进行装载反应2h，得装载溶液a；所述细菌胞外水解酶底物溶液与抗菌药物溶液的体积比为4：1，细菌胞外水解酶底物溶液的浓度为6wt％(分析纯级别明胶粉溶于去离子水制备的明胶溶液)，抗菌药物溶液的浓度为0.5mg/ml(水溶性抗菌分子mofs溶于去离子水制备的mofs溶液)；
42.(2)在装载溶液a中加入海藻酸钠溶液，随后在50℃下混合反应至所得混合溶液颜色均匀且静置12h后不分层，得凝胶前驱体b；所述装载溶液a与海藻酸钠溶液的体积比为1：3，海藻酸钠溶液的浓度为2.5wt％(分析纯级别海藻酸钠溶于去离子水制备的海藻酸钠溶液)；
43.(3)将凝胶前驱体b置于圆盘型模具中，与钙离子(氯化钙水溶液，浓度为2wt％)源混合并在25～37℃下静置20min成胶，即得所述细菌水解酶响应型水凝胶抗菌敷料；所述凝胶前驱体b与钙离子源的体积之比为1:3。
44.实施例4
45.本发明所述细菌水解酶响应型水凝胶抗菌敷料及其制备方法的一种实施例，所述制备方法包括以下步骤：
46.(1)将细菌胞外水解酶底物溶液与抗菌药物溶液混合并在40℃下进行装载反应1h，得装载溶液a；所述细菌胞外水解酶底物溶液与抗菌药物溶液的体积比为10：1，细菌胞外水解酶底物溶液的浓度为3wt％(分析纯级别丝素蛋白粉溶于去离子水制备的丝素蛋白溶液)，抗菌药物溶液的浓度为0.2mg/ml(水溶性氨苄青霉素钠溶于去离子水制备的氨苄青霉素钠溶液)；
47.(2)在装载溶液a中加入海藻酸钠溶液，随后在40℃下混合反应至所得混合溶液颜色均匀且静置12h后不分层，得凝胶前驱体b；所述装载溶液a与海藻酸钠溶液的体积比为1：2，海藻酸钠溶液的浓度为2wt％(分析纯级别海藻酸钠溶于去离子水制备的海藻酸钠溶液)；
48.(3)将凝胶前驱体b置于圆盘型模具中，与钙离子(氯化钙水溶液，浓度为1wt％)源混合并在25～37℃下静置10min成胶，即得所述细菌水解酶响应型水凝胶抗菌敷料；所述凝胶前驱体b与钙离子源的体积之比为1:3。
49.效果例1
50.为了验证本发明所述细菌水解酶响应型水凝胶抗菌敷料在制备过程中细菌胞外水解酶底物溶液与抗菌药物溶液在配制过程中反应温度(30℃、40℃、50℃)、反应时间(1h、3h、6h)以及原料配比(细菌胞外水解酶底物溶液与抗菌药物溶液的体积比为1:1、10：1、20:1)上的优选性，设置三水平正交实验配制装载溶液a，其中设置的1～9组条件(对应上述温度、时间、原料配比)分别为：
51.1号：30℃、1h、1:1；
52.2号：30℃、3h、20:1；
53.3号：30℃、6h、10:1；
54.4号：40℃、1h、20:1；
55.5号：40℃、3h、10:1；
56.6号：40℃、6h、1:1；
57.7号：50℃、1h、10:1；
58.8号：50℃、3h、1:1；
59.9号：50℃、6h、20:1。
60.测试结果如图1所示，可以看出，在装载溶液a进行配制的阶段，各反应参数便对产品造成均匀度影响，若参数选择不佳，容易造成抗菌药物的析出及团聚(图片圆圈处)。进一步地，将实施例1中使用的抗菌药物溶液、细菌胞外水解酶底物溶液、所得装载溶液a进行红外测试，同时设置将抗菌药物溶液与细菌胞外水解酶底物溶液直接混合(不反应)得到的混合液作为对照组同样进行测试，结果如图2所示，可以看出，本发明所述方法制备的装载溶液a中的组分原料在混合反应后通过分子氢键或静电相互作用产生了交联，并非简单的混合得到的混合物。
61.效果例2
62.为了验证本发明所述细菌水解酶响应型水凝胶抗菌敷料在制备过程中装载溶液a与海藻酸钠通过交联反应形成了水凝胶抗菌敷料，将实施例1中使用的海藻酸钠溶液、凝胶前驱体b进行红外测试，同时设置将海藻酸钠溶液与装载溶液a直接混合(不反应)得到的混合液作为对照组同样进行测试，结果如图3所示，可以看出，本发明所述方法制备的凝胶前
驱体b中的组分原料在反应后同样存在着分子间的交联/相互作用，并非简单的混合得到的混合物。
63.效果例3
64.为了验证本发明所述产品中钙离子对细菌胞外水解酶的活性影响，进行下述(1)～(4)四个测试实验：
65.(1)探究钙离子对细菌胞外水解酶活性的影响；
66.具体步骤为：使用浓度为5mmol/l ph＝7的磷酸氢二钠-磷酸氢二钠缓冲液配制浓度为2mg/ml的透明质酸溶液作为反应底物；使用pbs缓冲液配制浓度为100ui/ml(1mg/ml)的透明质酸酶溶液；配制浓度为1000mm cacl2溶液，并依次稀释至800/600/500/250/200/100/50mm依次在离心管中加入400ul透明质酸溶液，100ulcacl2溶液以及500ul透明质酸酶溶液37℃水浴30min后，沸水浴5min以灭活酶，随后以4000rpm速率离心10min然后取上清液400ul，加入dns试剂800ul，最后在沸水浴15min冷却至室温后在紫外分光光度计540nm波长下读数，结果如图4a所示，可以看出，在钙离子浓度小于10mm时，其对于细菌胞外水解酶活性呈促进作用，当大于该浓度时，钙离子对于细菌胞外水解酶的活性呈抑制作用。
67.(2)探究本发明产品中钙离子释放与时间的关系；
68.具体步骤为：将3ml实施例1所得产品置于37℃，8ml pbs中孵育，设置加酶组(所用酶及条件与实验(1)相同)和无酶组，在确定的时间点取少量pbs孵育液进行icp检测水凝所释放的钙离子含量，结果如图4b所示，当时间达到24h后，本发明所述产品释放的钙离子达到10mm。
69.(3)探究本发明产品中钙离子释放对于细菌胞外水解酶降解细菌胞外水解酶底物的速率的影响；
70.具体步骤为：同实验(2)，仅在测试时采用dns法检测样品组中降解产生的还原糖含量，结果如图4c所示，从结果曲线可以看出，本发明所述产品在24h前对于细菌胞外水解酶降解细菌胞外水解酶底物的速率具有提升作用，但在24h后降解不再发生或速率较低，说明此时由于钙离子浓度较高，细菌胞外水解酶开始失活。
71.(4)探究本发明产品中抗菌药物的释放效果
72.具体步骤为：同实验(2)，仅在测试时采用uv-vis法对抗菌药物aie进行检测(抗菌药物最大吸收波长480nm)，结果如图4d所示，从测试结果可以看出，随着时间推移，本发明产品无论是否存在酶环境均会发生药物释放，但在酶环境下的释放速率显然与非酶环境不同，且在24h后，抗菌药物释放速率变低甚至停止释放。
73.综上所述，在本发明所述产品使用过程时，其含有的钙离子可有效智能调控细菌分泌的胞外水解酶的活性，进而控制抗菌药物的智能释放。
74.进一步地，探究本发明所述产品在细菌环境下的抗菌药物释放效果：将大肠杆菌(e.coli)、金黄葡萄球菌(s.aureus)和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(mrsa)三种菌种平行设计实验，置于24孔板中，设置对照组和试验组，对照组不加任何产品，实验组则加入400ul实施例1所得产品，加入lb液体培养基400ul进行培养；该培养组设置梯度接种量，细菌接种量设为1
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101/1
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104/1
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108cfu/ml三种不同浓度，在实验过程中分别在第2、4、8、16h取菌液进行涂布平板法培养，平板培养12h后进行菌落计数，结果分别如图5和图6所示，其中每种菌梯度组图片下方的标注为对应的稀释倍数。从图5和6可以看出，由于本发明所述产品
中释放的低浓度钙离子能够促进细菌透明质酸酶活性，三种细菌在数量很少时(1
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104cfu/ml)，其分泌的透明质酸酶也可以在8h内降解产品中的水凝胶并开始释放足量抗菌药物以杀灭全部细菌；而由于高浓度的钙离子能够抑制细菌分泌的酶的活性，本发明所述产品在钙离子浓度达到10mm时药物的释放速率大幅度下降并停止，此时抗菌药物释放量也已经足够杀死全部的三种细菌，同时也可以避免抗菌药物过多而产生细胞毒性，在应用于皮肤伤口时可更好地促进伤口愈合。
75.最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。