CN114711251B

CN114711251B - 碳化钛-硫化锰复合抑菌材料、其制备方法及抑菌方法

Info

Publication number: CN114711251B
Application number: CN202210297527.XA
Authority: CN
Inventors: 范磊; 胡婷; 许泽; 奚菊群; 郭荣
Original assignee: Yangzhou University
Current assignee: Yangzhou University
Priority date: 2022-03-25
Filing date: 2022-03-25
Publication date: 2024-01-19
Anticipated expiration: 2042-03-25
Also published as: CN114711251A

Abstract

本发明公开了一种碳化钛‑硫化锰复合抑菌材料、其制备方法即抑菌方法，将乙酸锰四水合物溶于碳化钛分散液中，再加入L‑半胱氨酸溶液搅拌均匀后进行水热反应，离心分离沉淀物并烘干，可得到碳化钛‑硫化锰复合物。将该材料均匀分散于无菌水中，将一定浓度的碳化钛‑硫化锰复合材料分别置于大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的EP管中，并选用808nm的近红外激光对其照射，在培养箱过夜后分析细菌存活率。本发明加入碳化钛是为了利用其优异的光热性能高效抑菌，同时利用碳化钛在水中的分散性能；制得的复合材料具有更好的光热转化效率，进而获得了更好的抑菌性能，对革兰氏阴性、阳性菌均有良好的抑制效果。

Description

碳化钛-硫化锰复合抑菌材料、其制备方法及抑菌方法

技术领域

本发明涉及抑菌技术领域，具体而言，涉及一种碳化钛-硫化锰复合抑菌材料、其制备方法及抑菌方法。

背景技术

近年来，由细菌引起的传染病持续增加，已成为世界范围内威胁人类健康的重大问题之一。由于耐药菌株的出现，许多依赖抗生素的传统抗感染治疗方法逐渐失去其有效性。因此，开发新型抗菌剂显得尤为重要。这其中基于纳米材料的新型抗菌疗法受到了人们越来越多的关注，如光热疗法(PTT)、光动力疗法(PDT)及超声疗法等。在这些疗法中，基于ROS的抗菌疗法具有更高的疗效和更小的副作用。已有研究表明，高浓度ROS可以破坏细胞膜，导致核酸、蛋白质等生物分子功能性障碍，最终引起细菌失活。

一些具有天然酶活性的纳米材料(也称为“纳米酶”)，可以利用其过氧化物模拟酶活性将低剂量H₂O₂转化为·OH；或利用其氧化物酶活性将氧气转化为超氧阴离子·O₂ ^-，最终提高细菌细胞内ROS的水平，从而杀灭细菌，增强抗感染效果。纳米酶抑制细菌感染，有望克服使用高浓度H₂O₂的缺陷。然而，以纳米酶催化抗菌为基础的单一抗菌疗法难以高效地完全根除耐药菌，因而联合多种抗菌治疗方式进行协同治疗可提高抗菌效率及降低药物剂量。因此，为了保证抑菌效率，构建基于纳米酶催化效应且具有多重抗菌功能的纳米材料显得格外重要。

发明内容

针对现有技术中的不足之处，本发明目的在于探索新材料的抑菌性能。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种碳化钛-硫化锰复合抑菌材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将乙酸锰四水化合物加入碳化钛分散液中，搅拌均匀制得溶液I；

2)将L-半胱氨酸溶于超纯水中，配置成溶液II；

3)将溶液II加入到溶液I中搅拌1h，配置成溶液III；

4)将溶液III转移至高压反应釜中，反应一定时间；

5)待溶液冷却后，收集沉淀分别用超纯水、无水乙醇清洗，然后真空干燥，即得到碳化钛-硫化锰复合抑菌材料。

优选地，所述步骤1)中碳化钛的浓度为0.5～1mg/mL，加入的乙酸锰四水化合物的质量为0.122～0.490g。

优选地，所述步骤2)中L-半胱氨酸溶液浓度为0.01～0.05mg/mL。

优选地，所述L-半胱氨酸与乙酸锰四水化合物的摩尔比为1:1。

优选地，所述步骤4)中的反应条件为200℃的反应温度，反应16h。

本发明进一步提供一种如上所述的制备方法制得的碳化钛-硫化锰复合抑菌材料。

本发明进一步提供一种碳化钛-硫化锰复合抑菌材料的抑菌方法，包括如下步骤：

a)取所述碳化钛-硫化锰复合抑菌材料加无菌水配制成抑菌材料溶液；

b)配置LB液体培养基：蛋白胨、氯化钠和酵母按照2:2:1的质量比混合，用去离子水定容至浓度为25mg/mL，随后置于120℃高温高压下灭菌15min，即得；

配置LB固体培养基平板：在LB液体培养基的基础上多加2％的琼脂粉，高温高压灭菌后于无菌环境中倒入细菌培养皿中，液体冷却凝固后即得；

c)菌液的配置：取适量菌液稀释至合适浓度，均匀涂布于LB固体培养基平板上，随后将其置于37℃的恒温培养箱中过夜培养，并保存在4℃，实验前挑取适量单克隆菌落在LB液体培养基中培养12h，然后取悬浮液用新鲜的LB液体培养基稀释100倍，并在37℃下继续培养，即得试验用菌液；

d)取体积比为1:8:1的抑菌材料溶液、醋酸钠溶液和试验用菌液混合均匀，并在近红外激光照射下8～10min，继续反应30min，即可达到抑菌效果。

优选地，所述抑菌材料溶液的浓度为2.5mg/mL，醋酸钠溶液的pH值为4.55。

优选地，所述步骤d)中选用808nm近红外激光照射，功率为2W/cm²。

优选地，所述菌液为革兰氏阴性/阳性菌；更优选为大肠杆菌或金黄色葡萄球菌。

碳化钛是一种常见的二维层状材料，具有优异的光热性能和水溶性。硫化锰作为一种纳米酶可以发挥双酶活性，包括过氧化物酶(POD)和氧化物酶(OXD)。利用一步水热法合成碳化钛-硫化锰复合抑菌材料，经试验证明该纳米材料对于革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌均有良好的抑制效果。

与现有技术相比，本发明所述方法简单。本发明加入碳化钛是为了利用其优异的光热性能高效抑菌，同时利用碳化钛良好的水溶性改善了硫化锰不溶于水的缺点。采用二维层状的碳化钛和硫化锰进行复合，制备了新兴的材料，具有更好的光热转化效率，进而获得了更好的抑菌性能，对革兰氏阴性、阳性菌均有良好的抑制效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例1制得的碳化钛-硫化锰复合抑菌材料的SEM图。

图2为实施例1制得的碳化钛-硫化锰复合抑菌材料的XRD图。

图3为实施例1制得的碳化钛-硫化锰复合抑菌材料在激光功率密度为2.0W/cm²下的升温曲线图。

图4为应用例1-3对大肠杆菌处理后的细菌存活率对照图。

图5为应用例4-6对金黄色葡萄球菌处理后的细菌存活率对照图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1：

一种碳化钛-硫化锰复合抑菌材料的制备方法步骤如下：

(1)将30mg碳化钛分散在30mL超纯水中，配置成溶液I；

(2)将溶液I加入0.245g乙酸锰四水合物中搅拌，配置成溶液II；

(3)将0.121g L-半胱氨酸溶于5mL的超纯水中，配置成溶液III；

(4)将溶液III加入到溶液II中搅拌1h，配置成溶液IV；

(5)将溶液IV转移至高压反应釜中，200℃反应16h；

(6)待溶液冷却后，收集沉淀分别用超纯水、无水乙醇各清洗三次，然后80℃真空干燥12h，即得到碳化钛-硫化锰复合抑菌材料。

从图1和图2可以看出成功制得了层状的碳化钛-硫化锰复合材料。图1的SEM图中可以明显看出有纳米颗粒负载在碳化钛上，表明成功制备出碳化钛复合材料。图2的XRD图中出现了位于29.6°、34.3°、49.3°、58.6°、61.4°和72.3°的强特征峰，分别对应于硫化锰的(111)、(200)、(220)、(311)、(222)和(400)晶面(PDF#06-0518)，表明成功在碳化钛上负载强结晶度的硫化锰。

图3为碳化钛-硫化锰复合抑菌材料在激光功率密度为2.0W/cm²下的升温曲线。碳化钛具有良好的光热性能，碳化钛-硫化锰的体外光热性能实验表明，引入近红外激光可以进一步提升该抑菌材料的抑菌性能。图3中溶液均为250μg/mL，选用近红外光(2.0W/cm²，808nm)对溶液进行照射。从图中可以看出，与水、纯硫化锰相比，照射十分钟后，碳化钛和碳化钛-硫化锰复合材料温度上升更高。进一步说明碳化钛良好的光热性能。

应用例：碳化钛-硫化锰复合抑菌材料的抑菌方法如下

1)配置LB液体和固体培养基：称取4g蛋白胨、4g氯化钠、2g酵母用去离子水定容至400mL，随后置于120℃高温高压下灭菌15min，得LB液体培养基备用。

固体培养基需多加2％的琼脂粉，高温高压灭菌后于无菌环境中倒入细菌培养皿中，液体冷却凝固后即得LB固体培养基平板。

2)实验前期，取适量菌液稀释至合适浓度，均匀涂布于LB固体培养基平板上，随后将其置于37℃的恒温培养箱中过夜培养，并保存在4℃。实验前挑取适量单克隆菌落在LB液体培养基中培养12h，然后将悬浮液用新鲜的LB液体培养基稀释100倍，并在37℃下继续培养，即得试验用菌。

3)将100μL的菌液加入900μL pH＝4.55的醋酸钠缓冲溶液中，并加入808nm 2W/cm²近红外激光照射8～10min反应30min。

4)将步骤3)的产物稀释成10^-2、10^-3、10^-4、10^-5、10^-6，再各取100μL均匀涂在LB培养基平板上，放置37℃的恒温培养箱中培养12h并计数。

5)计算细菌存活率＝(C₀-C₁)/C₀×100％，C₀为大肠杆菌/金黄色葡萄球菌试验用菌的的CFU的平均数，C₁为经步骤3)处理后的CFU。

细菌存活率＝(C₀-C₁)/C₀。

应用例1：

菌液选择大肠杆菌菌液，按照上述抑菌方法进行，其中，激光照射8min；计算得到细菌存活率＝(C₀-C₁)/C₀×100％＝81.82％。

应用例2：

菌液选择大肠杆菌菌液，按照上述抑菌方法进行，区别在于步骤3)的处理方法为：取100μL的抑菌材料溶液(取碳化钛-硫化锰复合抑菌材料加入无菌水分散均匀配置成2.5mg/mL)，加入800μL pH＝4.55的醋酸钠缓冲溶液和100μL的菌液中，反应30min。计算得到细菌存活率＝(C₀-C₁)/C₀×100％＝24.04％。

应用例3：

菌液选择大肠杆菌菌液，按照上述抑菌方法进行，区别在于步骤3)的处理方法为：取100μL的抑菌材料溶液(取碳化钛-硫化锰复合抑菌材料加入无菌水分散均匀配置成2.5mg/mL)，加入800μL pH＝4.55的醋酸钠缓冲溶液和100μL的菌液中，并加入808nm 2W/cm²近红外激光照射8min，反应30min。计算得到细菌存活率＝(C₀-C₁)/C₀×100％＝0.25％。

应用例4：

菌液选择金黄色葡萄球菌菌液，按照上述抑菌方法进行，其中，激光照射10min；计算得到细菌存活率＝(C₀-C₁)/C₀×100％＝44.54％。

应用例5：

菌液选择金黄色葡萄球菌菌液，按照上述抑菌方法进行，区别在于步骤3)的处理方法为：取100μL的抑菌材料溶液(取碳化钛-硫化锰复合抑菌材料加入无菌水分散均匀配置成2.5mg/mL)，加入800μL pH＝4.55的醋酸钠缓冲溶液和100μL的菌液中，反应30min。计算得到细菌存活率＝(C₀-C₁)/C₀×100％＝33.31％。

应用例6：

菌液选择金黄色葡萄球菌菌液，按照上述抑菌方法进行，区别在于步骤3)的处理方法为：取100μL的抑菌材料溶液(取碳化钛-硫化锰复合抑菌材料加入无菌水分散均匀配置成2.5mg/mL)，加入800μL pH＝4.55的醋酸钠缓冲溶液和100μL的菌液中，并加入808nm2W/cm²近红外激光照射10min，反应30min。计算得到细菌存活率＝(C₀-C₁)/C₀×100％＝0.04％。

如图4和5分别表示对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌效果。图4是在不同条件下对大肠杆菌的抑菌效果。从图中可以看出在单一条件下(光照或碳化钛-硫化锰复合材料)培养30min后，细菌存活率分别为81.82％、21.04％。加了碳化钛-硫化锰复合材料后，细菌存活率有了明显降低，这是由于在室温下该抑菌材料具有一定的氧化物模拟酶活性，能够产生ROS来抑制细菌活力。此外，大肠杆菌经碳化钛-硫化锰复合材料并用近红外处理8min后，然后撤去近红外光源，继续放置22min，细菌存活率仅为0.25％，这主要得益于碳化钛良好的光热转化能力。图5是在不同条件下对金黄色葡萄球菌的抑菌效果。在单一条件下(光照或碳化钛-硫化锰复合材料)培养30min后，细菌活力明显降低，可达到44.54％和33.31％。此外，选用近红外对加入碳化钛-硫化锰复合材料处理10min后，撤去光源放置20min后，可以看出细菌存活率仅为0.04％。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims

1.一种碳化钛-硫化锰复合抑菌材料的抑菌方法，其特征在于，包括如下步骤：

a）制备抑菌材料溶液：

1）将乙酸锰四水化合物加入二维层状的碳化钛分散液中，搅拌均匀制得溶液I；

2）将L-半胱氨酸溶于超纯水中，配置成溶液II；

3）将溶液II加入到溶液I中搅拌1 h，配置成溶液III；

4）将溶液III转移至高压反应釜中，于180~220℃下，反应12~18 h；

5）待溶液冷却后，收集沉淀分别用超纯水、无水乙醇清洗，然后真空干燥，即得到层状的碳化钛-硫化锰复合抑菌材料；

6）将碳化钛-硫化锰复合抑菌材料加无菌水配制成抑菌材料溶液；

b）配置LB液体培养基：

蛋白胨、氯化钠和酵母按照2:2:1的质量比混合，用去离子水定容至浓度为25 mg/mL，随后置于120 ℃高温高压下灭菌15 min，即得；

配置LB固体培养基平板：

在LB液体培养基的基础上多加2%的琼脂粉，高温高压灭菌后于无菌环境中倒入细菌培养皿中，液体冷却凝固后即得；

c）菌液的配置：

取适量革兰氏阴性/阳性菌稀释至合适浓度，均匀涂布于LB固体培养基平板上，随后将其置于37 ℃的恒温培养箱中过夜培养，并保存在4 ℃，实验前挑取适量单克隆菌落在LB液体培养基中培养12 h，然后取悬浮液用新鲜的LB液体培养基稀释100倍，并在37 ℃下继续培养，即得试验用菌液；

d）取体积比为1:8:1的抑菌材料溶液、醋酸钠溶液和试验用菌液混合均匀，并在近红外激光照射下8~10 min，继续反应30 min，即可达到抑菌效果。

2.如权利要求1所述的碳化钛-硫化锰复合抑菌材料的抑菌方法，其特征在于，所述步骤1）中碳化钛的浓度为0.5~1 mg/mL，加入的乙酸锰四水化合物的质量为0.122~0.490 g。

3.如权利要求1所述的碳化钛-硫化锰复合抑菌材料的抑菌方法，其特征在于，所述步骤2）中L-半胱氨酸溶液浓度为0.01~0.05 mg/mL。

4.如权利要求1所述的碳化钛-硫化锰复合抑菌材料的抑菌方法，其特征在于，所述L-半胱氨酸与乙酸锰四水化合物的摩尔比为1:1。

5.如权利要求1所述的碳化钛-硫化锰复合抑菌材料的抑菌方法，其特征在于，所述抑菌材料溶液的浓度为2.5 mg/mL，醋酸钠溶液的pH值为4.55。

6.如权利要求1所述的碳化钛-硫化锰复合抑菌材料的抑菌方法，其特征在于，所述步骤d）中选用808 nm近红外激光照射，功率为2 W/cm²。