一种Cu2S@FePPOPTPM@GOx纳米复合材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及生物医学工程材料，具体来讲，涉及一种cu2s@feppoptpm@gox纳米复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、慢性伤口作为糖尿病的并发症之一，具有慢性炎症和无法愈合等特点，对公众健康和患者财产构成极大威胁。细菌感染是糖尿病创面延迟愈合的主要原因之一。由于耐多药菌株的出现，抗生素作为传统的抗菌药物，已不能有效杀灭细菌。此外，在创面高血糖和缺氧的共同作用下，导致创面微环境复杂且恶劣，为细菌的生长和繁殖提供了有利条件。因此，设计和开发一种能够消耗高血糖、缓解缺氧、调节慢性伤口氧化还原平衡的高效纳米抗菌剂有望解决糖尿病细菌感染和加速慢性伤口愈合问题，但这是一项极具挑战性的任务。

2、高血糖是细菌感染慢性糖尿病创面的一个重要病理特征，可以导致巨噬细胞极化的相关基因表达失调，造成持续的炎症，中断伤口从炎症期到增殖期的正常过渡。临床上常用注射胰岛素的方法来降低血糖浓度。然而，胰岛素治疗面临着每日多次注射和引起患者低血糖的风险。针对糖尿病创面固有的高血糖微环境，设计葡萄糖反应性纳米生物材料，改善创面微环境，是糖尿病创面临床治疗中亟待解决的问题。

3、葡萄糖响应材料通常与三种主要的葡萄糖传感元件一起工作：葡萄糖氧化酶(gox)、苯硼酸(pba)和葡萄糖结合分子。不同的血糖传感机制所调节的血糖或其相关信号差异很大，因此需要巧妙合理的材料设计，实现相应的信号匹配。gox是一种能特异性催化葡萄糖氧化产生葡萄糖酸和双氧水的天然酶，具有催化活性高，专一性强，绿色环保等优势。gox在催化过程中持续消耗氧气会引发缺氧，这将有利于促进血管生成。因此，利用gox构建响应型纳米生物材料对于慢性糖尿病创面愈合具有很大潜力。但葡萄糖氧化酶热稳定性差、ph范围受限，无法实现令人满意的抗菌治疗效果。

4、亚铜离子(cu+)已经被证明具有优异的抗菌性能，能够通过破坏细菌的细胞壁和细胞膜来实现对细菌的清除。不仅如此，cu+还能在体液环境中被氧化成二价铜离子(cu2+)，而cu2+已经被证明是具有促进血管生成能力的生物活性成分，这源于其能够稳定缺氧诱导因子(hif-1α)的表达和血管内皮生长因子(vegf)的分泌，这进一步增强了血管生成过程中细胞的募集和分化。另外，已有研究表明cu2+可以促进细胞迁移、血管生成和胶原沉积，从而促进伤口愈合。与铁(fe)或锰(mn)基纳米材料相比，铜(cu)基纳米颗粒所固有的物理化学性质能够满足各种生物医学应用要求，例如光基纳米材料治疗的光热/光动力效应、氧化纳米酶治疗的催化活性、与化疗药物分子的特异性相互作用、以及对抗细菌感染的抗菌性能等。基于铜基纳米颗粒的优异性质，可以合理地构建一种过渡金属铜参与的纳米抗菌剂，这种功能纳米材料的形态和结构可以被精确地调节，以满足某些特定要求，例如构建纳米多孔结构或中空纳米结构以用于有效地装载治疗剂、递送药物。因此，铜参与的纳米抗菌材料在临床医学领域具有巨大的潜力和发展前景。但现有的铜基纳米材料无法实现在伤口感染部位的持续缓慢释放亚铜离子。

5、卟啉基多孔有机聚合物(ppops)因具有大的孔隙率、高的比表面积，因而在多个领域都展现出潜在的应用价值。这种聚合物以卟啉为基本结构单元，通过特定的合成方法，形成具有多孔结构的有机聚合物。通过在卟啉分子上结合金属离子，可以赋予其优异的过氧化物酶性能。这类材料在催化一些典型的过氧化物酶基底的反应时，展现出高催化活性和稳定性，能够高效催化过氧化氢(h2o2)产生毒性ros，以达到杀菌的作用。现有的含金属的卟啉基多孔有机聚合物想要利用其酶学性能进行杀菌治疗，还需要额外引入双氧水。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种cu2s@feppoptpm@gox纳米复合材料，采用cu2o纳米立方体，在该cu2o纳米立方体外面生长一层cu2s外壳，经酸处理得到中空的cu2s纳米立方体，中空的立方体结构更有利于亚铜离子的释放；多孔有机聚合物往往形貌、尺寸不可控，本技术采用在中空的cu2s纳米立方体表面原位生长的方式，在cu2s纳米立方体外层合成铁卟啉基多孔有机聚合物(feppops)，实现多孔有机聚合物聚合物在形貌、尺寸上的可控，保证一定的孔隙率和比表面积，最后利用feppops孔隙率高、比表面积大的特点，负载gox，得到具有级联催化作用的复合材料纳米抗菌剂cu2s@feppoptpm@gox。制备的纳米复合材料具有良好的中空立方体结构，能够在感染伤口处消耗葡萄糖，通过级联催化反应表现出增强的杀菌治疗效果，进而展现出广谱的抗菌性能。这种新型有机-无机纳米复合材料抗菌剂，为糖尿病伤口感染的治疗提供了一种有前景的方法。

2、本技术中级联催化反应是利用两种或两种以上的酶的联合作用，使底物通过两步或多步反应转化为所需的产物，在本研究中是指葡萄糖氧化酶催化伤口处的葡萄糖，产生葡萄糖酸和双氧水，而产生的双氧水能够被铁卟啉基多孔有机聚合物催化，产生毒性的活性氧，从而实现高效的杀菌治疗效果。

3、本发明第一方面提供了一种cu2s@feppoptpm@gox纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

4、s1：将氧化亚铜纳米立方体分散到乙醇中，加入硫化钠溶液，收集cu2o@cu2s的核壳材料；然后加入酸溶液，依次经离心、洗涤、干燥得到中空的cu2s纳米立方体。本技术采用牺牲模板法能够获得形貌较好、更大比表面积和活性位点的中空的硫化亚铜立方体结构，为后续包裹铁卟啉基多孔有机聚合物奠定基础。

5、s2：将步骤s1制备得到的cu2s纳米立方体与氯化铁、四苯基铁卟啉配合物(简称fetpps)、四苯基甲烷溶解于二氯乙烷中，加入交联剂反应，依次经过离心、洗涤、干燥得到cu2s@feppoptpm。可选的，交联剂为二甲氧基甲烷。

6、s3：将步骤s2制备得到的cu2s@feppoptpm和葡萄糖氧化酶加入超纯水中，依次经过离心、洗涤、干燥得到cu2s@feppoptpm@gox纳米复合材料。

7、可选的，步骤s2中cu2s纳米立方体：氯化铁：fetpps：四苯基甲烷：交联剂的摩尔比为62-64：22-26：1-3：1-3：68-72。优选的，步骤s2中cu2s纳米立方体：氯化铁：fetpps：四苯基甲烷：交联剂的摩尔比为63：24：2：2：70。

8、可选的，步骤s3中，cu2s@feppoptpm：葡萄糖氧化酶质量比为2-3：1。优选的，步骤s3中，cu2s@feppoptpm：葡萄糖氧化酶质量比为2：1。

9、可选的，步骤s1中氧化亚铜纳米立方体与硫化钠的摩尔比为5：3-4；优选的，步骤s1中氧化亚铜纳米立方体与硫化钠的摩尔比为5：4。

10、可选的，步骤s2中加入交联剂在氮气保护下，先在40-50℃下反应4-6小时，然后在70-90℃下反应17-20小时；优选的，步骤s2中加入交联剂在氮气保护下，先在45℃下反应5小时，然后在80℃下反应19小时。

11、可选的，酸溶液为盐酸溶液、硝酸溶液、醋酸溶液中的一种或多种。

12、可选的，氧化亚铜纳米立方体的制备方法包括以下步骤：

13、将无水柠檬酸三钠、无水硫酸铜和氢氧化钠加入水中，形成蓝色沉淀物，然后加入抗坏血酸作为还原剂，析出黄色固体产物，依次经离心、洗涤、干燥，得到氧化亚铜纳米立方体。

14、其中，无水柠檬酸三钠：无水硫酸铜：氢氧化钠：抗坏血酸摩尔比为2-4：3-5：14-18：2-5。可选的，无水柠檬酸三钠：无水硫酸铜：氢氧化钠：抗坏血酸摩尔比为3：4：16：4。

15、进一步讲，氧化亚铜不稳定，在空气中极易被氧化成氧化铜，本技术通过控制无水柠檬酸三钠、无水硫酸铜、氢氧化钠和抗坏血酸的加入量，使制备得到的氧化亚铜形貌最好，具有明显的纳米立方体结构。为后续获得较好形貌、更大比表面积和更多活性位点的中空硫化亚铜立方体结构奠定基础。

16、本发明第二方面提供了一种cu2s@feppoptpm@gox纳米复合材料，所述cu2s@feppoptpm@gox纳米复合材料采用上述制备方法制备得到。

17、可选的，cu2s@feppoptpm@gox纳米复合材料平均粒径不高于78nm，温度达到200℃时，cu2s@feppoptpm@gox纳米复合材料的重量损失小于5％。

18、本发明第三方面提供了一种抗菌材料，所述抗菌材料包含上述cu2s@feppoptpm@gox纳米复合材料。

19、可选的，cu2s@feppoptpm@gox纳米复合材料浓度不高于20μg/ml，cu2s@feppoptpm@gox纳米复合材料的抑菌率不低于60％。优选的，cu2s@feppoptpm@gox纳米复合材料浓度不高于60μg/ml，cu2s@feppoptpm@gox纳米复合材料的抑菌率不低于95％。

20、进一步讲，本技术通过将cu2s包裹在铁卟啉基多孔有机聚合物里，再利用聚合物多孔的特点负载葡萄糖氧化酶，制备了cu2s@feppoptpm@gox纳米复合材料，当该材料用于在高糖环境的糖尿病感染伤口处时，负载的葡萄糖氧化酶能够消耗伤口处的葡萄糖，产生葡萄糖酸和双氧水，葡萄糖酸能够降低伤口处微环境的ph，为伤口处提供弱酸的微环境，有利于促进亚铜离子的释放，而产生的双氧水能够被铁卟啉基多孔有机聚合物催化，产生毒性的羟基自由基(·oh)，与金属离子一起，从而实现协同高效的杀菌治疗效果。

21、与现有技术相比，本发明至少取得以下有益效果中的一项：

22、(1)本发明cu2s@feppoptpm@gox纳米复合材料，采用cu2o纳米立方体，在该cu2o纳米立方体外面生长一层cu2s外壳，之后再采用原位生长的方式，在cu2s纳米立方体外层合成铁卟啉基多孔有机聚合物(feppops)，最后利用feppops孔隙率高、比表面积大的特点，负载gox，得到具有级联催化作用的复合材料纳米抗菌剂cu2s@feppoptpm@gox。制备的纳米复合材料具有良好的中空立方体结构，有利于释放亚铜离子，葡萄糖氧化酶能够在感染伤口处消耗葡萄糖，通过级联催化反应表现出增强的杀菌治疗效果，进而展现出广谱的抗菌性能。

23、(2)本发明cu2s@feppoptpm@gox纳米复合材料的制备方法中通过控制无水柠檬酸三钠、无水硫酸铜、氢氧化钠和抗坏血酸的加入量，使制备得到的氧化亚铜形貌最好，具有明显的纳米立方体结构。为后续获得较好形貌、更大比表面积和更多活性位点的中空硫化亚铜立方体结构奠定基础，进而使制备得到的cu2s@feppoptpm@gox纳米复合材料抗菌性能更好。

24、(3)本发明制备得到的cu2s@feppoptpm@gox纳米复合材料能够消耗高血糖、缓解缺氧、调节慢性伤口氧化还原平衡，解决糖尿病细菌感染和加速慢性伤口愈合问题。

25、(4)本发明制备得到的cu2s@feppoptpm@gox纳米复合材料具有优异的热稳定性能，200℃重量损失小于5％，能够用于多种不同场合。