一种聚多巴胺包裹锆基金属有机材料、制备方法及其应用
阅读说明：本技术 一种聚多巴胺包裹锆基金属有机材料、制备方法及其应用 (Polydopamine-coated zirconium-based metal organic material, preparation method and application thereof ) 是由 吴水林 韩冬琳 刘想梅 于 2019-09-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种聚多巴胺包裹锆基金属有机材料的制备方法,包括：步骤1,将卟啉衍生物,锆盐,苯甲酸类小分子均匀分散至有机溶剂中,使用水热法制备得到金属有机框架结构；步骤2,将步骤1得到的金属有机框架结构清洗,再分散在溶解有多巴胺的tris-HCl缓冲溶液中,反应6～24小时,反应温度15～30℃,得到聚多巴胺包裹锆基金属有机材料。聚多巴胺可以有效改善颗粒在水中的分散性,有效提高了材料的利用率。该材料还可以吸收可见光升温并产生大量活性氧(ROS)来实现光热、光动力协同杀菌,可以在较低的自由基需求量下实现对细菌的有效杀伤。(The invention discloses a preparation method of a polydopamine-coated zirconium-based metal organic material, which comprises the following steps: step 1, uniformly dispersing porphyrin derivatives, zirconium salt and benzoic acid micromolecules into an organic solvent, and preparing a metal organic framework structure by using a hydrothermal method; and 2, cleaning the metal organic framework structure obtained in the step 1, dispersing the metal organic framework structure in tris-HCl buffer solution in which dopamine is dissolved, and reacting for 6-24 hours at the reaction temperature of 15-30 ℃ to obtain the polydopamine-coated zirconium-based metal organic material. The polydopamine can effectively improve the dispersibility of the particles in water and effectively improve the utilization rate of the material. The material can also absorb visible light to raise the temperature and generate a large amount of Reactive Oxygen Species (ROS) to realize photo-thermal and photo-dynamic synergistic sterilization, and can realize effective killing of bacteria under low free radical demand.)
技术领域
本发明属于生物材料技术领域，具体涉及一种聚多巴胺包裹锆基金属有机材料、制备方法及其应用。
背景技术
在日常生活中，皮肤上出现伤口是一件十分常见的事情。而在伤口愈合的过程中，如果发生细菌感染，则会影响伤口愈合的速度，甚至会导致伤口无法愈合。而为了避免伤口的细菌感染，使用抗菌素是目前最为常见的治疗的方案。而抗菌素的大量使用，催生了耐药菌的产生。这些耐药菌可以无视大部分抗菌素的攻击，导致无药可用的现状，威胁人类的生命。因此，开发新的，快速的，有效的，非抗生素类的抗菌剂迫在眉睫。
光敏剂在光照条件下可以产生热量和自由基，目前，已经有很多光敏剂应用于皮肤病甚至是癌症的治疗。卟啉及其衍生物是目前最为常见的光敏剂。但是目前的光敏剂均为小分子，尤其是卟啉及其衍生物，具有较强的疏水性能，在水性条件下会发生明显团聚，造成荧光淬灭现象，降低光敏剂的利用率。
目前使用的光敏剂在光照条件下，无法产生足够的热量，单纯依赖产生的自由基无法实现对细菌的有效、快速杀灭，抗菌能力需要进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种聚多巴胺包裹锆基金属有机材料，聚多巴胺可以有效改善颗粒在水中的分散性，赋予材料较好的分散性，有效提高了材料的利用率。同时多巴胺包裹后，材料可以吸收可见光升温,大幅度提高材料的光热能力，并产生大量单线态氧，最终实现光热、光动力协同快速杀菌。可以有效杀灭细菌。
本发明的另一个目的是，提供一种聚多巴胺包裹锆基金属有机材料的制备方法。
本发明的另一个目的是，提供一种聚多巴胺包裹锆基金属有机材料在皮肤表层伤口的应用。作为光敏性抗菌剂，实现光照下的快速、高效杀菌。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种聚多巴胺包裹锆基金属有机材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，制备金属有机框架结构，将卟啉衍生物，锆盐，苯甲酸类小分子均匀分散至有机溶剂中，所述卟啉衍生物、锆盐、苯甲酸类小分子的质量比为1：(2～5)：(10～50)，所述有机溶剂与卟啉衍生物的质量比为(2～4)：1，使用水热法制备得到金属有机框架结构；
所述卟啉衍生物为中-四(4-羧基苯基)卟吩；
所述锆盐为氧氯化锆或氯化锆；
所述苯甲酸类小分子为苯甲酸或苯二甲酸；
所述有机溶剂为二甲基甲酰胺；
步骤2，将步骤1得到的金属有机框架结构清洗，再分散在溶解有多巴胺的tris-HCl(三(羟甲基)氨基甲烷-盐酸)缓冲溶液中，所述缓冲溶液与所述金属有机框架结构的质量比为100～1000：1，反应6～24小时，反应温度15～30℃，得到聚多巴胺包裹锆基金属有机材料；所述缓冲溶液的pH值为7～9，所述缓冲溶液的多巴胺浓度为0.5mg/ml～5mg/ml。
在上述技术方案中，所述步骤1，采用超声的方法将卟啉衍生物，锆盐，苯甲酸类小分子均匀分散至有机溶剂中，所述超声的频率为25KHZ～500KHZ。
上述技术方案中，所述步骤1，所述锆盐为8水合氧氯化锆。
上述技术方案中，所述步骤1，所述水热法的反应温度为90～130℃，反应时间为12～24h。
上述技术方案中，所述步骤1，所述水热反应在高压釜中进行。
上述技术方案中，所述步骤2，将步骤1得到的金属有机框架结构采用二甲基甲酰胺进行清洗。
一种聚多巴胺包裹锆基金属有机材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，制备金属有机框架结构，将中-四(4-羧基苯基)卟吩，8水合氧氯化锆，苯甲酸均匀分散至二甲基甲酰胺中，所述中-四(4-羧基苯基)卟吩、8水合氧氯化锆、苯甲酸的质量比为1：3：30，所述有机溶剂与中-四(4-羧基苯基)卟吩的质量比为3：1，使用水热法制备得到金属有机框架结构，所述水热法的反应温度为120℃，反应时间为24h；
步骤2，将步骤1得到的金属有机框架结构使用二甲基甲酰胺清洗3次，再分散在溶解有多巴胺的tris-HCl(三(羟甲基)氨基甲烷-盐酸)缓冲溶液中，所述缓冲溶液与所述金属有机框架结构的质量比为20：1，室温下超声震荡避光反应12小时，得到聚多巴胺包裹锆基金属有机材料；所述缓冲溶液的pH值为8.5，所述缓冲溶液的多巴胺浓度为2mg/ml。
一种上述技术方案制备的聚多巴胺包裹锆基金属有机材料在抗菌、杀菌领域的应用。
一种上述技术方案制备的聚多巴胺包裹锆基金属有机材料在杀菌材料中的应用。
本发明的优点和有益效果为：
在金属有机框架结构表面修饰一层聚多巴胺，可以有效改善金属有机框架结构在水中的分散性，提高材料的利用率。同时由于聚多巴胺具有的较高的光热转换效率，修饰有聚多巴胺后，可以显著提高金属有机框架结构的光热转换能力。而同时，聚多巴胺的修饰也多大提高了金属有机框架的光动力效果。这主要是由于聚多巴胺与卟啉衍生物之间具有的π-π相互作用和电子的相互转移，进而降低了金属有机框架结构的能带隙，提高其在光照条件下产生自由基的能力。修饰有聚多巴胺后，材料的光吸收得到明显提高，使材料在光照下产生更多的热量和自由基。在光照条件下，材料产生的自由基和热量之间可以协同对细菌实现杀伤。最终实现，在一个相对较低的自由基浓度条件对细菌的有效杀伤。
本发明制备一种聚多巴胺包裹金属有机框架结构材料，在可见光照射下，会产生大量的热量和自由基，通过二者的协同作用，可以高效快速细菌，实现伤口附近的消毒。
制备得到的聚多巴胺修饰的金属有机框架结构具有较高的稳定性，生物相容性，具有作为伤口消毒剂的潜在的前景。同时制备方法简便易行，无有毒有害气体产生，经济环保，实施难度小，设备投入少，消耗资源少。
附图说明
图1为实施例3的XRD表征结果；
其中，A为：步骤1得到的金属有机框架结构，B为步骤2得到的聚多巴胺包裹锆基金属有机材料；
图2为实施例3得到的聚多巴胺包裹锆基金属有机材料的TEM和元素分布图；
图2(A)为聚多巴胺包裹锆基金属有机材料的TEM图；
图2(B)为聚多巴胺包裹锆基金属有机材料的C的元素分布图；
图2(C)为聚多巴胺包裹锆基金属有机材料的N的元素分布图；
图2(D)为聚多巴胺包裹锆基金属有机材料的O的元素分布图；
图2(E)为聚多巴胺包裹锆基金属有机材料的Zr的元素分布图；
图3为实施例3的步骤1得到的金属有机框架结构和步骤2得到的聚多巴胺包裹锆基金属有机材料的分散性；
A为金属有机框架结构，B为聚多巴胺包裹锆基金属有机材料；
图4为实施例3的步骤1得到的金属有机框架结构和步骤2得到的聚多巴胺包裹锆基金属有机材料的光热性能；
图5为实施例3的产生单线态氧能力的表征，
其中，A为：步骤1得到的金属有机框架结构，B为步骤2得到的聚多巴胺包裹锆基金属有机材料；图中曲线由上至下分别代表0秒、10秒、20秒、30秒、40秒、50秒和60秒光照时间的曲线。
图6为为实施例3，步骤1得到的金属有机框架结构的抗菌效果；
图6(A)为金属有机框架结构黑暗条件下对金黄色葡萄球菌杀伤性的平板涂布结果；
图6(B)为金属有机框架结构光照条件下对金黄色葡萄球菌杀伤性的平板涂布结果；
图6(C)为金属有机框架结构黑暗条件下对大肠杆菌杀伤性的平板涂布结果；
图6(D)为金属有机框架结构光照条件下对大肠杆菌杀伤性的平板涂布结果；
图7为实施例3得到的聚多巴胺包裹锆基金属有机材料的抗菌效果；
图7(A)为聚多巴胺包裹锆基金属有机材料黑暗条件下对金黄色葡萄球菌杀伤性的平板涂布结果；
图7(B)为聚多巴胺包裹锆基金属有机材料光照条件下对金黄色葡萄球菌杀伤性的平板涂布结果；
图7(C)为聚多巴胺包裹锆基金属有机材料黑暗条件下对大肠杆菌杀伤性的平板涂布结果；
图7(D)为聚多巴胺包裹锆基金属有机材料光照条件下对大肠杆菌杀伤性的平板涂布结果；
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例一
一种聚多巴胺包裹锆基金属有机材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，制备金属有机框架结构，将40mg中-四(4-羧基苯基)卟吩，120mg一水合氧氯化锆，1200mg苯甲酸加入8mL二甲基甲酰胺中，超声(300kHZ，20min)使其完全溶解，将溶液加入高压反应釜中，使用水热法制备得到金属有机框架结构，所述水热法的反应温度为120℃，反应时间为24h，随后逐渐缓慢恢复室温；
步骤2，将步骤1得到的金属有机框架结构使用二甲基甲酰胺清洗3次，再分散在溶解有多巴胺的tris-HCl(三(羟甲基)氨基甲烷-盐酸)缓冲溶液中，所述缓冲溶液与所述金属有机框架结构的质量比为200：1，室温下超声震荡避光反应12小时，得到聚多巴胺包裹锆基金属有机材料；所述缓冲溶液的pH值为8.5，所述缓冲溶液的多巴胺浓度为0.5mg/ml。
实施例二
一种聚多巴胺包裹锆基金属有机材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，制备金属有机框架结构，将40mg中-四(4-羧基苯基)卟吩，120mg一水合氧氯化锆，1200mg苯甲酸加入8mL二甲基甲酰胺中，超声(300kHZ，20min)使其完全溶解，将溶液加入高压反应釜中，使用水热法制备得到金属有机框架结构，所述水热法的反应温度为120℃，反应时间为24h，随后逐渐缓慢恢复室温；
步骤2，将步骤1得到的金属有机框架结构使用二甲基甲酰胺清洗3次，再分散在溶解有多巴胺的tris-HCl(三(羟甲基)氨基甲烷-盐酸)缓冲溶液中，所述缓冲溶液与所述金属有机框架结构的质量比为200：1，室温下超声震荡避光反应过夜，得到聚多巴胺包裹锆基金属有机材料；所述缓冲溶液的pH值为8.5，所述缓冲溶液的多巴胺浓度为1mg/ml。
实施例三
一种聚多巴胺包裹锆基金属有机材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，制备金属有机框架结构，将40mg中-四(4-羧基苯基)卟吩，120mg一水合氧氯化锆，1200mg苯甲酸加入8mL二甲基甲酰胺中，超声(300kHZ，20min)使其完全溶解，将溶液加入高压反应釜中，使用水热法制备得到金属有机框架结构，所述水热法的反应温度为120℃，反应时间为24h，随后逐渐缓慢恢复室温；
步骤2，将步骤1得到的金属有机框架结构使用二甲基甲酰胺清洗3次，再分散在溶解有多巴胺的tris-HCl(三(羟甲基)氨基甲烷-盐酸)缓冲溶液中，所述缓冲溶液与所述金属有机框架结构的质量比为200：1，室温下超声震荡避光反应过夜，得到聚多巴胺包裹锆基金属有机材料；所述缓冲溶液的pH值为8.5，所述缓冲溶液的多巴胺浓度为2mg/ml。
实施例四
一种聚多巴胺包裹锆基金属有机材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，制备金属有机框架结构，将40mg中-四(4-羧基苯基)卟吩，120mg一水合氧氯化锆，1200mg苯甲酸加入8mL二甲基甲酰胺中，超声(300kHZ，20min)使其完全溶解，将溶液加入高压反应釜中，使用水热法制备得到金属有机框架结构，所述水热法的反应温度为120℃，反应时间为24h，随后逐渐缓慢恢复室温；
步骤2，将步骤1得到的金属有机框架结构使用二甲基甲酰胺清洗3次，再分散在溶解有多巴胺的tris-HCl(三(羟甲基)氨基甲烷-盐酸)缓冲溶液中，所述缓冲溶液与所述金属有机框架结构的质量比为200：1，室温下超声震荡避光反应过夜，得到聚多巴胺包裹锆基金属有机材料；所述缓冲溶液的pH值为8.5，所述缓冲溶液的多巴胺浓度为3mg/ml。
实验结果显示，实施例1，2，3，4中步骤2得到的最终产物之间区别在于颗粒表面的粗糙程度，以及所得到的聚多巴胺壳层的厚度，但是彼此之间差别并不明显，以下使用实施例3，步骤1制备得到的金属有机框架结构和步骤2得到的最终产物进行表征说明。
如图1所示，所得到的金属有机框架结构，经过聚多巴胺的修饰后，其晶体结构并没有明显变化，其XRD出峰位置与聚多巴胺修饰之前相同。表明聚多巴胺修饰的过程中，金属有机框架结构并没有发生结构的坍塌和晶型的畸变。
而通过图2TEM表征可以证实，经过了聚多巴胺修饰之后，在金属有机框架外围，形成了一层粗糙的外壳。元素面分布的结果显示，金属有机框架外围的粗糙外壳，其主要成分是C，C的元素分布图明显要大于N,Zr的，表明在金属有机框架周围成功包裹一层多巴胺。
图3的实验证实，单纯的金属有机框架结构在水中的分散性较差，分散在水中2.5个小时候，材料明显在底部沉降。但是包裹有多巴胺的金属有机框架结构在水中的稳定性较好，分散2.5个小时后，溶液并没有明显分层现象。表明多巴胺的包裹成功提高了材料的分散性。
图4的光热曲线证实，包裹有多巴胺后，光热转换效率明显提高。在相同光照条件下，包裹有多巴胺的金属有机框架结构具有更好的光热性能。结合金属有机框架结构在光照下产生自由基的能力，可以有效杀伤细菌。
图5，使用1,3-二苯基异苯并呋喃作为探针，可以检测单线态氧的产生。将1,3-二苯基异苯并呋喃溶液材料混合，光照，测定不同光照时间点溶液在415纳米的光吸收用于表征材料产生单线态氧的能力。1,3-二苯基异苯并呋喃与单线态氧发生反应，生成的物质在415纳米波长处的吸收会明显下降。如图5中A所示，包裹多巴胺之前，光照条件下，金属有机框架和1,3-二苯基异苯并呋喃的混合物在41纳米处的吸收大幅度降低，表明金属有机框架在光照条件下可以产生单线态氧。但是包裹有聚多巴胺之后，光照下光吸收下降的强度明显提高，表明材料产生单线态氧的能力大幅度提高。
而平板抗菌结果显示，在黑暗条件下，锆基金属材料粉末与菌液(10^7,金黄色葡萄球菌和大肠杆菌)混合20min后，细菌数量并没有减少，琼脂糖固体培养基上的菌落数量依然很多。表明黑暗条件下，材料的杀菌能力较低。而在光照后，如图6B,D，细菌数量有所减少，但是并不明显。表明锆基金属有机框架结构在黑暗条件下不具备杀菌性能。但是在光照条件下，可以杀灭细菌，但是效果微弱。
在黑暗条件下，粉末与菌液(10^7,金黄色葡萄球菌和大肠杆菌)混合20min后，细菌并没有被有效杀伤。琼脂糖固体培养基上的菌落数量依然很多。而在光照后，如图7B,D，细菌被快速、有效杀灭，培养基上近乎没有菌落生长。表明聚多巴胺包裹的金属有机框架结构在黑暗条件下不具备杀菌性能。但是在光照条件下，可以有效杀灭细菌。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。