一种抗生物膜感染的二氧化锰纳米复合材料及其制备方法与应用

本发明属于抗菌材料，更具体地，一种抗生物膜感染的二氧化锰纳米复合材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、细菌感染正严重危害着人类的健康。许多感染类疾病迁延不愈、反复发作正是由于病灶处细菌生物膜的形成。生物膜是细菌的聚集状态，细菌被自身分泌的细胞外聚合物(eps)包裹后将免受宿主免疫系统和抗生素的攻击。因此，与游离的细菌相比，生物膜对复杂环境具有更强的抵抗力，对药物具有更强的耐受力。因此，亟需探索新的高效的抗生物膜手段。研究发现，与正常组织相比，生物膜微环境的主要特点为局部缺氧、h2o2水平过高、ph值偏低。因此，在药物开发的过程中，可以将这种特殊的微环境作为治疗生物膜感染相关疾病的特异性靶点。

2、光动力疗法(photodynamic therapy，pdt)是光敏剂在受到激光照射后变为激发态，将能量传递给周围的氧分子，生成对细菌毒性较大的活性氧(reactive oxygenspecies,ros)，如单线态氧(1o2)、羟基自由基(·oh)等，从而破坏细菌结构，起到治疗局部细菌感染的效果。由于其广谱抗菌，不易使细菌产生耐药性，选择性高、低毒性，疗程短，操作方便等特点，逐渐受到研究者的关注。然后单一使用pdt虽然抗菌效果好，但是其寿命短，扩散距离短，对于深层的感染治疗效果不理想，且需要富氧的条件。因此，需要凭借生物膜微环境中富含h2o2的特点，将缺氧环境转化为有利于pdt的氧气条件。

3、光热疗法(photothermal therapy,ptt)是利用光热剂在近红外光辐照下将光能转换为局部热能，破坏细菌细胞膜的通透性并使得细菌内部的核酸和蛋白质变性从而杀灭细菌。光热抗菌具有快速、高效、无创、环保等优点。很多具有光热纳米材料都被应用在光热抗菌方面。其中二氧化锰(mno2)由于其较高的光热转换能力和优异的热稳定性而被广泛应用于光热抗菌，另外，mno2还具有类过氧化氢酶催化的作用，可以催化周围生物膜微环境中过高含量的双氧水(h2o2)分解成氧气(o2)，缓解缺氧环境，增强光动力性能。然而单独的ptt杀菌带来的局部高温也可能对邻近正常组织造成热损伤，影响正常组织细胞，而且单一光热治疗的治疗效率受限。而pdt与ptt结合后，可以使细菌活性大大减弱，促进ros向细胞内扩散，增强抗菌作用，同时不会伴随高温，避免了对正常组织细胞的影响。因此，光热光动力联合可以达到协同抗菌的效果并具有最小的副作用。

4、壳聚糖季铵盐(hacc)作为壳聚糖的衍生物。具有很好的生物相容性和其较高的水溶性，研究发现hacc具有细菌靶向性，可以与细菌特异性结合。基于以上，hacc近年来被广泛应用于生物医药以及抗菌敷料等方面。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是通过bsa@mno2装载icg后改善的光热性能发挥光热抗菌作用，有效解决icg在单一使用时并不持久的光热效果的问题，同时也可以减少药物的剂量。另外，通过mno2的类过氧化氢酶活性，解决生物膜微环境中缺氧条件导致的光动力治疗不充分的问题，发挥光热、光动力协同抗菌作用，提供一种抗生物膜感染的二氧化锰纳米复合材料。

2、所述纳米复合材料将光敏剂(photosensitizer,ps)与牛血清白蛋白二氧化锰(bsa@mno2)复合纳米颗粒结合，随后在其表面用壳聚糖季铵盐(hacc)修饰得到bsa@mno2@ps@hacc复合纳米抗菌材料。该复合纳米抗菌材料各组分共同协同作用，其中该抗菌纳米材料中的mno2具有很好的光热性能，可以将光能转换为热能用于光热治疗。光敏剂ps可以在激光照射下与氧气(o2)作用产生单线态氧用于光动力治疗。另外，mno2还具有类过氧化氢酶催化的作用，在mno2的类过氧化氢酶催化作用下可以将生物膜微环境中过高含量的双氧水(h2o2)分解成氧气(o2)，增强光动力性能。同时，该抗菌纳米材料表面修饰的hacc具有细菌靶向性可以与细菌特异性结合，高度促进该抗菌纳米材料和细菌之间的相互作用。该复合纳米抗菌材料实现了光热光动力联合抗生物膜的效果，有效提高了抗菌效果且生物相容性良好，生物安全性高。

3、本发明的目的是提供所述抗生物膜感染的二氧化锰纳米复合材料的制备方法。

4、本发明另一目的是提供所述二氧化锰纳米复合材料在抗生物膜感染中的应用。

5、本发明上述目的通过以下技术方案实现：

6、一种抗生物膜感染的二氧化锰复合纳米材料。所述纳米材料将光敏剂(photosensitizer,ps)与牛血清白蛋白二氧化锰(bsa@mno2)复合纳米颗粒结合，随后在其表面用壳聚糖季铵盐(hacc)修饰制得bsa@mno2@ps@hacc复合纳米材料。该复合纳米材料各组分共同协同来提高抗生物膜效果。

7、进一步地，所述光敏剂包括吲哚菁绿(icg)、吲哚菁绿羧酸(icg-cooh)、吲哚菁绿氨基(icg-nh2)、吲哚菁绿巯基(icg-sh)等。

8、一种抗生物膜感染的二氧化锰纳米复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

9、s1、取15ml 10mm kmno4水溶液加入到60ml浓度为1.0％bsa水溶液中，在氮气保护下搅拌12小时。随后使用超滤离心管浓缩提取反应产物(amicon ultra-15 mwco＝100kda)。再将浓缩液冻干成粉末，得到bsa@mno2纳米颗粒。

10、s2、取6mg光敏剂(ps)于10ml dmso中，搅拌均匀。再以40ml/h的速度滴加bsa@mno2水溶液(3.35mg/ml,20ml)，避光搅拌反应12h。反应结束后向反应液中加入30ml超纯水。随后用超滤离心管浓缩提取反应产物(amicon ultra-15 mwco＝100kda)，制得bsa@mno2@ps纳米颗粒浓缩液。

11、s3、用超纯水将1mlbsa@mno2@ps纳米颗粒浓缩液稀释为10ml。随后加入2ml 1mg/ml的壳聚糖季铵盐水溶液搅拌均匀。制得bsa@mno2@ps@hacc纳米颗粒水缩液，4℃保存。

12、上述抗生物膜感染的二氧化锰复合纳米材料的应用，该复合纳米材料中的光敏剂可以与o2作用用于光动力治疗，而mno2具有很好的光热性能，且具有类过氧化氢酶的作用，可以将生物膜微环境中过高含量的h2o2分解成o2，增强光敏剂的光动力性能。实现了光热光动力协同抗生物膜的效果。另外，该复合纳米材料表面修饰的hacc具有细菌靶向性，可以与细菌特异性结合，高度促进该复合纳米材料和细菌之间的相互作用，且且生物相容性良好，生物安全性高。

13、本发明具有以下有益效果：

14、所述复合纳米抗菌材料各组分协同作用，其中该抗菌纳米材料中的mno2具有很好的光热性能，可以将光能转换为热能用于光热治疗。光敏剂ps可以在激光照射下与氧气(o2)作用产生单线态氧用于光动力治疗。另外，mno2还具有类过氧化氢酶催化的作用，在mno2的类过氧化氢酶催化作用下可以将生物膜微环境中过高含量的双氧水(h2o2)分解成氧气(o2)，增强光动力性能。同时，该抗菌纳米材料表面修饰的hacc具有细菌靶向性可以与细菌特异性结合，高度促进该抗菌纳米材料和细菌之间的相互作用。本发明实现了光热光动力联合抗生物膜的效果，有效提高抗菌效果。建立了一种能够缓解缺氧增强光动力治疗的靶向抗菌纳米颗粒用于治疗生物膜感染。且该抗菌纳米材料生物相容性良好，生物安全性高，非常适合代替抗生素治疗细菌感染。