一种光控CO抗菌复合材料的制备方法

摘要

本发明公开了一种光控CO抗菌复合材料的制备方法，属于生物医用材料技术领域，具体步骤如下：S1.光催化纳米材料AgCCN的合成；S2.CaCO3@AgCCN的合成；S3.CaCO3@AgCCN/壳聚糖复合材料的制备。本发明通过负载碳酸钙(CaCO3)可以特异性识别细菌生存的弱酸性环境，增加局部环境中的二氧化碳(CO2)含量，进而在光催化剂(AgCCN)和可见光引发下将CO2转化为具有抗菌活性的一氧化碳(CO)，实现安全可控的抗菌疗效。该抗菌复合材料的制备方法简单易行且成本较低，同时，其抗菌效果具有智能可控性，安全有效性以及不易引发细菌耐药性等优点，适用于生物医疗领域。

权利要求

1.一种光控CO抗菌复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.光催化纳米材料AgCCN的制备：将柠檬酸与含氮有机化合物混合加热反应，反应后离心分离得上清液，上清液透析得到碳量子点，将所得碳量子点与含氮有机化合物在加热下反应，反应后离心得到碳量子点掺杂的碳化氮，记为CCN，将制得的CCN与银化合物混合均匀，加入磷酸盐溶液，Xe灯光照，离心洗涤干燥得到AgCCN；

S2.CaCO3@AgCCN的制备：将步骤S1制得的AgCCN加入去离子水中，再加入CaCl2·2H2O水溶液和碳酸盐溶液，磁力搅拌，离心洗涤干燥得到CaCO3@AgCCN；

S3.CaCO3@AgCCN/壳聚糖复合材料的制备：向乙酸水溶液中加入壳聚糖，碱性溶液调至中性，得壳聚糖溶液，将步骤S2制得的CaCO3@AgCCN溶于去离子水中，得CaCO3@AgCCN水溶液，将CaCO3@AgCCN水溶液加入上述壳聚糖溶液中，混匀后倒入模具，冷冻真空干燥得到CaCO3@AgCCN/壳聚糖复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种光控CO抗菌复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述含氮有机化合物为乙酰胺或碳酰胺或二者混合；所述银化合物为硝酸银、氟化银、氯化银中的一种或两种以上混合；所述磷酸盐为磷酸氢二钾、磷酸氢二钠、磷酸钠中的一种或两种以上混合。

3.根据权利要求1所述的一种光控CO抗菌复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述柠檬酸与含氮有机化合物在150 200℃的烘箱中反应10 20 h；所述上清液透析的~ ~

时间为40 60 h；所述含氮有机化合物和碳量子点在500 600℃下反应2 4 h；所述Xe灯光照~ ~ ~

时间为1 3 h。

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4.根据权利要求1所述的一种光控CO抗菌复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中，柠檬酸与含氮有机化合物的反应中，柠檬酸与含氮有机化合物的质量比为3 5：1；碳量~

子点与含氮有机化合物的反应中，碳量子点与含氮有机化合物的质量比为1：90000~

120000；CCN与银化合物的反应中，CCN、银化合物以及磷酸盐溶液中所含磷酸盐的质量比为

2 4：1 2.4：1。

~ ~

5.根据权利要求1所述的一种光控CO抗菌复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S2中，所述碳酸盐为碳酸镁、碳酸钾、碳酸钠中的一种或两种以上混合。

6.根据权利要求1所述的一种光控CO抗菌复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S2中，所述CaCl2·2H2O水溶液浓度为0.4~0.5 mmol/mL，碳酸盐溶液浓度为0.3~0.5 mmol/mL，其中所含CaCl2与碳酸盐的摩尔比为1:1~1.2；所述AgCCN与CaCl2·2H2O水溶液中所含CaCl2的摩尔比为1：8 12，搅拌时间为10 14 h。

~ ~

7.根据权利要求1所述的一种光控CO抗菌复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S3中，所述乙酸水溶液的体积百分比浓度为0.8% 1.2%，所述壳聚糖溶液的浓度为5 50mg/mL，~ ~

所述CaCO3@AgCCN水溶液的质量百分比浓度为10wt%~20wt%；其中壳聚糖与CaCO3@AgCCN的质量比为20 100:1 6。

~ ~

8.根据权利要求1所述的一种光控CO抗菌复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S3中，所述CaCO3@AgCCN水溶液滴加至壳聚糖溶液中，所述搅拌的时间为1~3h，所述冷冻真空干燥时间为40 60 h，温度为‑40 ‑50℃。

~ ~

9.根据权利要求1所述的一种光控CO抗菌复合材料的制备方法，其特征在于：步骤S3中，所述碱性溶液为0.5 1 mol/L的NaOH溶液。

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说明书

一种光控CO抗菌复合材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于生物高分子材料领域，涉及一种新型的光控CO抗菌复合材料的制备方法。

背景技术

[0002] 由细菌、病毒、真菌等微生物引起的感染，给人类健康带来了极大的威胁。数据统计显示，细菌感染在低收入国家中引发了很高的死亡率。虽然，各种类型抗生素的开发为细
菌感染相关疾病提供了成功的治疗方法，但是，该类抗生素的滥用加速了具有抗生素耐药
性细菌的形成和进化，并通过食物和牲畜等多种途径威胁着公众健康(Stuart B Levy, 
Bonnie Marshall. Antibacterial resistance worldwide: causes, challenges and 
responses. Med. 2004, 10, S122)。所以，开发具有安全有效性且不易引起细菌耐药性的
抗菌材料具有十分重要的意义。

[0003] 近年来，用于细菌感染类疾病诊疗的气体疗法成为新的研究热点。一些具有细胞毒性的气体分子(如：活性氧，一氧化氮，一氧化碳，硫化氢等)具有广谱杀菌性，可以有效杀
死耐药性细菌，并且不易诱发细菌耐药性。一氧化氮(NO)和一氧化碳(CO)等气体曾被认为
对人体具有毒副作用，但是，近期的研究证明它们可参与多种生理和病理过程，具有多重生
物学功能，在生理和病理条件下具有潜在的医疗价值，可用于治疗细菌感染、癌症等多种疾
病(Luodan Yu, Ping Hu,Yu Chen. Gas‑Generating Nanoplatforms: Material 
Chemistry, Multifunctionality,and Gas Therapy. Adv. Mater, 2018, 30, 
1801964)。

[0004] 光控气体释放用于抗菌治疗的策略是利用激发光源激活光活性试剂产生具有抗菌抗性的气体分子，对微生物进行非特异性攻击，从而使微生物裂解、死亡(Salvatore 
Sortino. Light‑controlled nitric oxide delivering molecular assemblies. Chem. 
Soc. Rev, 2010, 39, 2903–29)。CO主要与氧气竞争，并结合细菌血红蛋白（血红素），血红
素加氧酶和末端氧化酶，以阻止细菌进行有氧呼吸，还可能破坏细菌代谢、细胞功能和基因
表达等行为(Diep Nguyen, Thuy‑Khanh Nguyen, Scott A. Rice, Cyrille Boyer, CO‑
Releasing Polymers Exert Antimicrobial Activity, Biomacromolecules, 2015, 16, 
2776–2786)。研究表明，在低浓度时，CO具有抗炎，抗凋亡，降压，血管舒张，抗动脉粥样硬化
和细胞保护等功能(Brian E Mann, Roberto Motterlini. CO and NO in medicine. 
Chem. Commun. Cambridge, U.K. 2007, 7, 4818)；但是，CO浓度较高时会降低血红蛋白
的载氧量，使呼吸系统紊乱(Ken Ling, Fang Men, Weici Wang, Yaqun Zhou, Haowen 
Zhang, Dawei Ye. Carbon Monoxide and Its Controlled Release: Therapeutic 
Application, Detection, and Development of Carbon Monoxide Releasing 
Molecules (CORMs). J. Med. Chem, 2018, 61, 2611−2635)。因此，对于CO气体的浓度调
控及定向输送的控制在生物医疗领域极具挑战性。

发明内容

[0005] 针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种新型的光控CO抗菌复合材料的制备方法。该复合材料的制备方法简单易行，成本较低。本发明制得的新型抗菌复合材料表
现出良好的生物相容性，生物可降解性，可重复杀菌性等特点。

[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的：

[0007] 一种新型的光控CO抗菌复合材料的制备方法，包括以下步骤：

[0008] S1.光催化纳米材料AgCCN的制备：将柠檬酸与含氮有机化合物混合加热反应，反应后离心分离得上清液，上清液透析得到碳量子点，将所得碳量子点与含氮有机化合物在
加热下反应，反应后离心得到碳量子点掺杂的碳化氮，记为CCN，将制得的CCN与银化合物混
合均匀，加入磷酸盐溶液，Xe灯光照，离心洗涤干燥得到AgCCN；

[0009] S2.CaCO3@AgCCN的制备：将步骤S1制得的AgCCN加入去离子水中，再加入CaCl2·2H2O水溶液和碳酸盐溶液，磁力搅拌，离心洗涤干燥得到CaCO3@AgCCN；

[0010] S3.CaCO3@AgCCN/壳聚糖复合材料的制备：向乙酸水溶液中加入壳聚糖，碱性溶液调至中性，得壳聚糖溶液，将步骤S2制得的CaCO3@AgCCN溶于去离子水中，得CaCO3@AgCCN水
溶液，将CaCO3@AgCCN水溶液加入上述壳聚糖溶液中，混匀后倒入模具，冷冻真空干燥得到
CaCO3@AgCCN/壳聚糖复合材料。

[0011] 本发明的进一步改进方案为：

[0012] 步骤S1中，所述含氮有机化合物为乙酰胺或碳酰胺或二者混合；所述银化合物为硝酸银、氟化银、氯化银中的一种或两种以上混合；所述磷酸盐为磷酸氢二钾、磷酸氢二钠、
磷酸钠中的一种或两种以上混合。

[0013] 进一步的，步骤S1中，所述柠檬酸与含氮有机化合物在150 200℃的烘箱中反应10~
20 h；所述上清液透析的时间为40 60 h；所述含氮有机化合物和碳量子点在500 600℃下
~ ~ ~
反应2 4 h；所述Xe灯光照时间为1 3 h。
~ ~

[0014] 进一步的，步骤S1中，柠檬酸与含氮有机化合物的反应中，柠檬酸与含氮有机化合物的质量比为3 5：1；碳量子点与含氮有机化合物的反应中，碳量子点与含氮有机化合物的
~
质量比为1：90000 120000；CCN与银化合物的反应中，CCN、银化合物以及磷酸盐溶液中所含
~
磷酸盐的质量比为2 4：1 2.4：1。
~ ~

[0015] 进一步的，步骤S2中，所述碳酸盐为碳酸镁、碳酸钾、碳酸钠中的一种或两种以上混合。

[0016] 进一步的，步骤S2中，所述CaCl2·2H2O水溶液浓度为0.4~0.5 mmol/mL，碳酸盐溶液浓度为0.3~0.5 mmol/mL，其中所含CaCl2与碳酸盐的摩尔比为1:1~1.2；所述AgCCN与
CaCl2·2H2O水溶液中所含CaCl2的摩尔比为1：8~12，搅拌时间为10~14 h。

[0017] 进一步的，步骤S3中，所述乙酸水溶液的体积百分比浓度为0.8% 1.2%，所述壳聚~
糖溶液的浓度为5~50mg/mL，所述CaCO3@AgCCN水溶液的质量百分比浓度为10wt%~20wt%；其
中壳聚糖与CaCO3@AgCCN的质量比为20~100:1~6。

[0018] 进一步的，步骤S3中，所述CaCO3@AgCCN水溶液滴加至壳聚糖溶液中，所述搅拌的时间为1 3h，所述冷冻真空干燥时间为40 60 h，温度为‑40 ‑50℃。
~ ~ ~

[0019] 进一步的，步骤S3中，所述碱性溶液为0.5 1 mol/L的NaOH溶液。~

[0020] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0021] 本发明设计了一种功能性纳米粒子(CaCO3@AgCCN)与壳聚糖复合的抗菌材料(CaCO3@AgCCN/壳聚糖)。通过负载CaCO3，该复合材料不仅可以特异性识别细菌生存的弱酸
性环境，还可以增加局部环境中的CO2含量，进而在光催化剂(AgCCN)和可见光引发下将CO2
转化为CO抗菌剂，实现智能可控的抗菌疗效。此外，以具有高生物相容性、生物可降解性和
抗菌性等特性的壳聚糖为基底材料，利用冷冻干燥法得到具有多孔结构的复合材料，不仅
具有生物安全性，而且有利于CO气体的产生与释放，在治疗细菌感染类疾病方面具有重要
的应用价值。

[0022] 本发明的复合材料可以特异性识别细菌生存的弱酸性环境，增加局部环境中的CO2含量，进一步地，在光催化剂AgCCN存在下，利用可见光将CO2转化为CO抗菌剂，实现高效
可控的定向灭菌的效果，不会对健康细胞带来损伤，更不会引发细菌耐药性问题，在生物医
疗领域具有重要的应用价值。

附图说明

[0023] 图1为实施例1制得的CaCO3@AgCCN/壳聚糖凝胶复合材料扫描电镜图；

[0024] 图2为实施例1制得的CaCO3@AgCCN扫描电镜图。

具体实施方式

[0025] 为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种新型的光控CO抗菌复合材料的制备方法进行详细描述。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制
本发明的范围。

[0026] 此外，应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

[0027] 实施例1

[0028] 2 g柠檬酸和0.5 g碳酰胺在170℃烘箱中反应18 h后，离心取上清液，上清液透析48h得到碳量子点。将10 g碳酰胺与所得5 mL碳量子点(2 mg/L)水溶液在550℃下反应3 h，
离心得到碳量子点掺杂的碳化氮(CCN)。将0.5 gCCN与0.28 gAgNO3反应，加入100 mL 20%
的磷酸氢二钠溶液，Xe灯光照1 h，离心洗涤干燥得到AgCCN。

[0029] 10 mg AgCCN加入4 mL去离子水中，再加入2 mL CaCl2·2H2O水溶液（浓度为0.4mmol/mL）和2 mL Na2CO3溶液（浓度为0.4mmol/mL），磁力搅拌12 h，离心洗涤干燥得到
CaCO3@AgCCN。

[0030] 在15 mL乙酸水溶液中(1%，v/v)加入0.36 g的壳聚糖，搅拌均匀，滴加NaOH溶液调节pH值至中性，滴加10 wt%的CaCO3@AgCCN水溶液，搅拌1.5 h，放入12孔板中，‑40℃冻结，
真空干燥48 h得到CaCO3@AgCCN/壳聚糖‑10%凝胶复合材料。

[0031] 实施例2

[0032] 3 g柠檬酸和1 g碳酰胺在170℃烘箱中反应18 h后，离心取上清液，上清液透析48h得到碳量子点。将9 g碳酰胺与所得5 mL碳量子点(2 mg/L)水溶液在550℃下反应3 h，
离心得到碳量子点掺杂的碳化氮(CCN)。将0.5 gCCN与0.28 gAgNO3反应，加入100mL 20%的
磷酸氢二钠溶液，Xe灯光照1 h，离心洗涤干燥得到AgCCN。

[0033] 10 mg AgCCN加入4 mL去离子水中，再加入2 mL CaCl2·2H2O水溶液和2 mL Na2CO3溶液，磁力搅拌12 h，离心洗涤干燥得到CaCO3@AgCCN。

[0034] 在15 mL乙酸水溶液中(1%，v/v)加入0.36 g的壳聚糖，搅拌均匀，滴加NaOH溶液调节pH值至中性，滴加CaCO3@AgCCN(20 wt%)水溶液，搅拌1.5 h，放入12孔板中，‑40℃冻结，
真空干燥48 h得到CaCO3@AgCCN/壳聚糖‑20%凝胶复合材料。

[0035] 实施例3

[0036] 5 g柠檬酸和1g碳酰胺在170℃烘箱中反应18 h后，离心取上清液，上清液透析48h得到碳量子点。将12g碳酰胺与所得5 mL碳量子点(2 mg/L)水溶液在550℃下反应3 h，离心
得到碳量子点掺杂的碳化氮(CCN)。将0.5 gCCN与0.28 gAgNO3反应，加入100 mL 20%的磷
酸氢二钠溶液，Xe灯光照1 h，离心洗涤干燥得到AgCCN。

[0037] 10 mg AgCCN加入4 mL去离子水中，再加入2 mL CaCl2·2H2O水溶液（浓度为0.4mmol/mL）和2 mL Na2CO3溶液（浓度为0.4mmol/mL），磁力搅拌12 h，离心洗涤干燥得到
CaCO3@AgCCN。

[0038] 在15 mL乙酸水溶液中(1%，v/v)加入0.36 g的壳聚糖，搅拌均匀，滴加NaOH溶液调节pH值至中性，滴加15 wt%的CaCO3@AgCCN水溶液，搅拌1.5 h，放入12孔板中，‑40℃冻结，
真空干燥48 h得到CaCO3@AgCCN/壳聚糖‑15%凝胶复合材料。

[0039] 对比例1

[0040] 在15 mL乙酸水溶液中(1%，v/v)加入0.36 g的壳聚糖，搅拌均匀，滴加NaOH溶液调节pH值至中性，搅拌1.5 h，放入12孔板中，‑40℃冻结，真空干燥48 h得到壳聚糖凝胶。

[0041] 对比例2

[0042] 向4 mL去离子水中加入2 mL CaCl2·2H2O水溶液,再加入2 mL Na2CO3溶液，搅拌12 h，离心洗涤干燥得到CaCO3。

[0043] 在15 mL乙酸水溶液中(1%，v/v)加入0.36 g的壳聚糖，搅拌均匀，滴加NaOH溶液调节pH值至中性，滴加CaCO3(10 wt%)水溶液，搅拌1.5 h，放入12孔板中，‑40℃冻结，真空干
燥48 h得到CaCO3/壳聚糖凝胶。

[0044] 对比例3

[0045] 柠檬酸和碳酰胺在170℃烘箱中反应18 h，离心上清液，透析48 h得到碳量子点。将碳酰胺和碳量子点在550℃下反应3 h，离心得到碳量子点掺杂的碳化氮(CCN)。将CCN与
AgNO3反应，加入磷酸氢二钠溶液，Xe灯光照1 h，离心洗涤干燥得到AgCCN。

[0046] 在15 mL乙酸水溶液中(1%，v/v)加入0.36 g的壳聚糖，搅拌均匀，滴加NaOH溶液调节pH值至中性，滴加AgCCN(10 wt%)水溶液，搅拌1.5 h，放入12孔板中，‑40℃冻结，真空干
燥48 h得到AgCCN/壳聚糖。

[0047] 实施例4：CaCO3@AgCCN/壳聚糖凝胶复合材料的表征

[0048] 采用FEI Quata250扫描电镜（仪器），测试实施例1制得的CaCO3@AgCCN/壳聚糖凝胶复合材料，并进行数据处理得到CaCO3@AgCCN/壳聚糖凝胶复合材料扫描电镜谱图，如图1
所示，由图1可知凝胶显示出一种大孔的海绵状结构，孔径约为100µm，可以看到凝胶的表面
有清晰可见的CaCO3@AgCCN纳米粒子分布，CaCO3@AgCCN纳米粒子均匀嵌入壳聚糖水凝胶骨
架中且该纳米粒子在凝胶整体范围内分散较为均匀，无明显团聚现象。

[0049] 实施例5：CaCO3@AgCCN/壳聚糖凝胶复合材料抑菌效果的验证

[0050] 取大肠杆菌和金黄色葡萄球菌菌液的稀释液作为试验用菌液，根据 GB／T 21510 贴膜法测定，对实施例1‑3以及对比例1‑3制得的材料进行抑菌试验，通过菌落计数法计算
抗菌率，抗菌率数据如表1、表2所示。

[0051] 表1 本发明实施例1 3以及对比例1 3可见光处理下得到的抗菌材料抑菌实验结~ ~
果

[0052]

[0053] 表2 本发明实施例1 3以及对比例1 3黑暗处理下得到的抗菌材料抑菌实验结果~ ~

[0054]

[0055] 由表1、表2可知，本发明实施例1 3制得的抗菌材料在可见光的处理下具有高效的~
杀菌性能。