CN115006546A - 一种促进伤口愈合的双硫异质结材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种促进伤口愈合的双硫异质结材料及其制备方法，其中双硫异质结材料包括硫化铋、硫化铜、聚多巴胺、以及氧化酶；其制备方法主要包括制备硫化铋、制备硫化铋硫化铜异质结、向硫化铋硫化铜异质结上负载氧化酶三步。本发明提供一种双硫异质结材料，在近红外光照射下，可以产生局部过高热，改变细菌细胞膜通透性，使细菌细胞器或细胞质基质在较短时间内泄漏，从而导致细菌死亡，该过程作用时间较短，因此细菌适应时间短，不易产生耐药性；同时在近红外光的照射下还能够产生大量的活性氧，能有效的消杀病原细菌，起到很好的抗菌作用。

Description

一种促进伤口愈合的双硫异质结材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及医用材料领域，具体为一种促进伤口愈合的双硫异质结材料及其制备方法。
背景技术
皮肤作为人体最大的器官，具有保护、***和调节体温等作用，是阻止细菌、病毒等病原微生物入侵的第一道防线。一旦皮肤出现伤口，就有可能出现伤口感染并且长时间难以愈合。目前临床治疗伤口感染以清创术和抗生素联合治疗为主。但是抗生素的过度使用可能导致耐药细菌的产生，并且存在伤口感染复发的可能，从而导致伤口难以愈合，危及人体健康。因此，制备出一种有效消杀细菌且不产生耐药性的同时能促进伤口愈合的材料具有重要的意义。
据报道硫化氢能够促进血管生成和内皮细胞的增长、迁移。目前硫化氢的制备主要以无机的硫化钠和硫氢化钠为主，但是硫化钠和硫氢化钠的生物毒性较强，且无抑菌作用。因此，选择生物相容性好且具有抗菌作用的硫化氢来源是十分重要的。硫化铋是具有海胆状的金属硫化物，具有较多的光催化位点和良好的生物相容性，已经被应用于光催化等领域，但是其光热性能较差，且单一硫化铋的抗菌能力较低。硫化铜是球状的金属硫化物，具有良好的光热和光动力性能，在近红外光照射下能够产生局部过高热和大量活性氧，已经被证实具有显著消杀细菌的效果，但是单一硫化铜的生物毒性较强，对正常细胞的损伤较大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种促进伤口愈合的双硫异质结材料及其制备方法，该双硫异质结材料制备工艺简单，抗菌显著，且促进伤口愈合速度较快。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种促进伤口愈合的双硫异质结材料，包括硫化铋、硫化铜、聚多巴胺、以及氧化酶。
进一步地，所述氧化酶为乳酸氧化酶或葡萄糖氧化酶。
一种促进伤口愈合的双硫异质结材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：制备硫化铋
将一定量五水合硝酸铋和L-半胱氨酸混合，加入去离子水溶解；将溶液置于水热釜中进行反应，反应后取出进行离心，得沉淀物，烘干即得硫化铋；
步骤2：制备硫化铋硫化铜异质结
S21：将氯化铜和硫化铋按照铋元素与铜元素质量比1：0.5～1混合，加水溶解后加入表面活性剂；
S22：用氢氧化钠溶液调节溶液pH至9.0后，边搅拌边加入还原剂并反应5分钟；
S23：向步骤S22中溶液缓慢添加硫化钠溶液，并进行水热反应，得到浑浊溶液，离心后将沉淀干燥，得硫化铋硫化铜异质结，即双硫金属异质结粉末；
步骤3：向硫化铋硫化铜异质结上负载氧化酶
S31：称取一定量的盐酸多巴胺溶解于Tris溶液(pH＝8.6)中；
S32：将双硫金属异质结浸没于所述S31配制的溶液中，并置于恒温摇床中进行反应，反应结束后离心除去上清液，保留沉淀；
S33：向所述步骤S32得到的沉淀中滴入氧化酶，然后冷冻干燥即得到双硫异质结材料；所述氧化酶为乳酸氧化酶或葡萄糖氧化酶。
进一步地，所述步骤1和步骤2中离心的时间均为10分钟，转速均为8000rpm。
进一步地，所述步骤1中五水合硝酸铋取480mg，L-半胱氨酸取280mg，且加入的去离子水体积为10mL，且水热反应釜温度为150℃，反应12h。
进一步地，所述步骤2中氯化铜的用量为0.5mM，溶解用水量为25mL；氢氧化钠用量为1mM，硫化钠溶液用量为0.5mM。
进一步地，所述步骤2中的表面活性剂为PVP，且加入量为0.24g；还原剂为水合肼，加入量为64μL。
进一步地，所述步骤2中水热反应的温度为75℃，反应2h。
进一步地，所述步骤3中Tris溶液的pH值为8.6，且盐酸多巴胺溶液的浓度为2mg/mL，所述滴加的氧化酶的浓度为1mg/mL。
进一步地，所述步骤3中恒温摇床的温度控制在37℃，反应时间为24h。
本发明在制备硫化铋硫化铜异质结的过程中，通过调节pH和加入水合肼先在硫化铋表面生成氧化亚铜微球，然后缓慢加入硫化钠，当硫离子进攻铜离子的同时氧离子溢出微球结构，该过程中氧离子溢出速度较快，所以生成了中空的纳米微球结构。通过控制反应时间，可以在硫化铋表面生成不同质量比的硫化铜和硫化亚铜微球，由于硫化铜和硫化亚铜间形成单质结，使得光热、光动力性能得到增强。另外硫化铋表面的硫化铜和硫化亚铜是微球结构，使硫化铋硫化铜异质结具有更大的比表面积，使得催化活性增强。
本发明采用一锅法原位合成硫化铋硫化铜异质结，将异质结粉末浸泡在聚多巴胺溶液中以提升异质结的生物相容性以及改变表面电势，然后滴入氧化酶(乳酸氧化酶或葡萄糖氧化酶)溶液于包裹多巴胺的异质结中，氧化酶以静电相互作用负载到异质结表面，得到抗菌效果显著及促进伤口愈合效果明显的双硫异质结材料。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供一种双硫异质结材料，在近红外光照射下，可以产生局部过高热，改变细菌细胞膜通透性，使细菌细胞器或细胞质基质在较短时间内泄漏，从而导致细菌死亡，该过程作用时间较短，因此细菌适应时间短，不易产生耐药性；同时在近红外光的照射下还能够产生大量的活性氧，能有效的消杀病原细菌，起到很好的抗菌作用。
(2)本发明制备的双硫异质结材料，当使用时，在受感染的微环境中能够产生硫化氢，促进伤口处血管的生成以及促进内皮细胞的增殖和迁移，从而有效促进伤口的快速愈合。
(3)本发明的硫化铋硫化铜异质结上负载了氧化酶(乳酸氧化酶或葡萄糖氧化酶)，可以促使过氧化氢的产生，过氧化氢在双硫异质结的催化下可产生大量的活性氧，进而更加有效的杀死细菌。
(4)本发明的制备方法采用一锅法，避免了后处理过程中的分离过程以及中间体化合物纯化的过程，极大的提高了反应效率，节省了制备的时间，使制备的操作更加简单。
附图说明
图1为本发明硫化铋、硫化铜以及硫化铋硫化铜异质结的SEM表征图；
图2为本发明双硫异质结材料的光热成像；
图3为本发明硫化铋硫化铜异质结的光热稳定性分析图；
图4为本发明双硫异质结材料的光动力性能图；
图5为本发明双硫异质结材料抗菌性能图；
图6为经本发明双硫异质结材料处理后的细菌形貌电镜扫描图；
图7为本发明双硫异质结材料促进伤口愈合性能图。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
本发明提供一种促进伤口愈合的双硫异质结材料，包括硫化铋、硫化铜、聚多巴胺溶液、以及负载酶，其中负载酶为乳酸氧化酶或葡萄糖氧化酶。
实施例1
本实施例提供一种促进伤口愈合的双硫异质结材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：制备硫化铋
取480mg五水合硝酸铋和280mg L-半胱氨酸混合，加入10mL去离子水溶解，然后将溶液转移到150℃水热釜中反应12小时，反应完成后取出在8000rpm条件下离心10分钟保留沉淀并烘干，得硫化铋。
步骤2：制备硫化铋硫化铜异质结
S21：将0.5mM氯化铜和硫化铋按照铋元素与铜元素质量比1：1混合，加入25mL水溶解后，加入0.24g表面活性剂PVP；
S22：用1mM的氢氧化钠溶液调节pH至9.0，边搅拌边加入64μL水合肼，并反应5分钟；
S23：向步骤S22中溶液缓慢添加0.5mM硫化钠溶液，并在75℃条件下反应2h，使得在硫化铋表面原位生成硫化铜，得到浑浊溶液，在8000rpm条件下离心10分钟，得到沉淀并干燥，即为硫化铋硫化铜异质结粉末。(如图1所示，其中A为硫化铋，B为硫化铜，C为双硫金属异质结的SEM表征图。)
步骤3：制备双硫生物异质结材料
S31：称取一定量的盐酸多巴胺溶解于pH为8.6的Tris溶液中，得盐酸多巴胺浓度为2mg/mL溶液；
S32：取适量硫化铋硫化铜异质结粉末浸没于步骤S31配置的溶液中，并置于37℃恒温摇床中反应24h，待反应结束后离心，保留沉淀，将1mg/mL乳酸氧化酶溶液滴入其中，冷冻干燥即得到可以促进伤口愈合的双硫异质结材料。
将制备的双硫异质结材料进行光热性能实验、光动力性能实验、抑菌实验、细菌形貌测试、动物实验。
对比例：制备硫化铜：取0.5mM CuCl2·2H2O加入25mL水溶解后，加入0.24g PVP作为表面活性剂，然后用1mM的氢氧化钠溶液调节pH至9.0，边搅拌边加入64μL水合肼作为还原剂，在反应5分钟后缓慢添加硫化钠溶液(0.5mM)并在75℃条件下反应2小时，使得在硫化铋表面原位生成硫化铜，得到的浑浊溶液离心(8000rpm,10分钟)，所得沉淀干燥后即为硫化铜。
(1)光热性能实验
实验1：取本实施例中制备的硫化铋硫化铜异质结、负载乳酸氧化酶的硫化铋硫化铜异质结和对比例中的硫化铜于48孔板中，另外取不加材料的磷酸盐缓冲液(PBS)作为对照组，向每个样品孔板中加入500μL的PBS，用808nm近红外光(1.5W/cm2)照射每个样品孔板，每隔30秒利用FLIR红外探测仪捕捉温度变化。结果如图2所示，其中PBS表示磷酸盐缓冲液，BC表示硫化铋硫化铜异质结，BCPL表示负载乳酸氧化酶的双硫异质结。
实验2：取本实施例中制备的硫化铋硫化铜异质结于48孔板中，向样品孔板中加入500μL的PBS，用808nm近红外光照射样品孔板15分钟，然后关闭红外照射灯冷却15分钟，期间每隔30秒用FIRT红外探测仪捕捉温度变化，循环操作三次，记录数据并分析样品的光热稳定性，结果如图3。
总结：从图2可知硫化铜、硫化铋、以及负载乳酸氧化酶的双硫异质结在近红外光照射下，均能实现局部过高热，其中硫化铜在较短时间内温度升高较快，有灼伤皮肤的危险，硫化铋温度升高较慢，而负载乳酸氧化酶的双硫异质结温度升高速度处于前两者之间，温度更易于控制；从图3可知，硫化铋硫化铜异质结具有良好的光热循环能力，提供了循环利用的可能，促进环境友好的同时也有利于光热抗菌的稳定性。
(2)光动力性能实验
取本实施例中制备的硫化铋、硫化铋硫化铜异质结和负载乳酸氧化酶的双硫异质结及对比例中的硫化铜于48孔板中，其中不添加材料的磷酸盐缓冲液(PBS)作为对照组，取0.5mL 100μg/mL亚甲基蓝(MB)作为活性氧(·OH)标记物，在避光条件下将各组置于近红外光(1.5W/cm2)下照射15分钟，每隔5分钟取100μL溶液于酶标仪中检测其吸光度，测试结果如图4所示。
总结：负载乳酸氧化酶的双硫异质结材料降解了最多的亚甲基蓝，具有最强的结合含氧物生成羟基自由基的能力，能够达到优秀的抗菌效果。
(3)抑菌实验
实验1：取本实施例中制备的硫化铋、硫化铋硫化铜异质结和负载乳酸氧化酶的双硫异质结及对比例中的硫化铜于48孔板中，其中不添加材料的磷酸盐缓冲液(PBS)作为对照组，向每个样品孔中加入100μL液体培养基和100μL106 CFU/mL金黄色葡萄球菌(S.aureus)，设立3组平行实验组。将各组分别放在808nm激光照射下和黑暗条件下培养20分钟后，取菌液均匀地涂覆到固体培养基上，在37℃下培养24小时后，观察各种材料杀菌效果。
实验2：将上述实验1中106CFU/mL金黄色葡萄球菌(S.aureus)换成106CFU/mL大肠杆菌(E.coli)重复实验1。
实验1和实验2的结果如图5所示，其中所示NIR(+)表示近红外光照射，NIR(-)表示无近红外光照射。
总结：负载乳酸氧化酶的双硫异质结在近红外光照射下，杀灭了大部分金黄色葡萄球菌和大肠杆菌，因此其能够有效改善伤口感染的问题。
(4)细菌形貌测试
实验1：取本实施例中制备的硫化铋、硫化铋硫化铜异质结和负载乳酸氧化酶的硫化铋硫化铜异质结及对比例中的硫化铜于48孔板中，其中不添加材料的磷酸盐缓冲液(PBS)作为对照组，向每个样品孔中加入100μL液体培养基和100μL106 CFU/mL金黄色葡萄球菌(S.aureus)，设立3组平行实验组。将各组分别放在808nm激光照射下和黑暗条件下培养20分钟后，将样品离心取出置于500μL 2.5％戊二醛，在4℃条件下保存12小时，然后用梯度乙醇脱水(30％、50％、70％、90％和100％v/v)，每个梯度脱水10分钟，最后样品进行自然风干后用扫描电镜观测细菌形态。
实验2：将上述实验1中的106CFU/mL金黄色葡萄球菌(S.aureus)换成106CFU/mL大肠杆菌(E.coli)重复实验1。
总结：实验结果如图6所示，负载乳酸氧化酶的双硫异质结能够破坏细菌膜的完整性，使细菌细胞器或细胞质基质泄漏，从而导致细菌死亡，并且作用时间较短，作用效果显著，因此细菌适应时间短，不易产生耐药性。
(5)动物实验
建立伤口感染模型：将小鼠分组并编号，背部脱毛，用5％的水合氯醛(0.1mL/10g)注射腹腔进行麻醉，然后在小鼠脊柱外2cm处创建直径1厘米左右的全层皮肤伤口，再用移液枪滴加10μL的金黄色葡萄球菌菌液(1×108CFU/mL)，最后贴上无特殊成分创可贴或用无菌纱布包裹以防止小鼠舔舐或者抓蹭伤口。
伤口治疗分析：感染模型建立24小时后拍摄伤口照片，并用直尺测量伤口的长与宽。按组分别在伤口处放置材料(硫化铋、硫化铋硫化铜异质结、负载乳酸氧化酶的双硫异质结、以及PBS)，所有的光照组均接受强度为1.5W/cm2的808nm的近红外光照10分钟。光照后使伤口暴露在空气中。之后的八天内每两天拍摄记录一次伤口，
结果如图7所示，其中Bi2S3+表示硫化铋加近红外光照射，BC+表示硫化铋硫化铜异质结加近红外光照射，BCPL+表示负载乳酸氧化酶的双硫异质结加近红外光照射；Bi2S3、BC、BCPL则表示没有经过近红外光照射。
总结：经负载乳酸氧化酶的双硫异质结材料并加光照处理后的伤口恢复速度最快，伤口面积最小。相比较下，通过PBS处理的空白对照组，小鼠伤口还有脓液渗出，发炎明显。在光热和光动力的协同作用下，本实施例制备的材料具有显著的抗菌效果，并且减少了伤口炎症反应，同时产生的硫化氢促进了血管生成和内皮细胞增殖和迁移，进而快速促进伤口愈合。
实施例2
基于实施例1提供的一种促进伤口愈合的生物异质结材料的制备方法，步骤2中0.5mM氯化铜和硫化铋还可以按照铋元素与铜元素质量比1：0.75混合，然后加入25mL的水进行溶解。
实施例3
基于实施例1提供的一种促进伤口愈合的生物异质结材料的制备方法，步骤2中0.5mM氯化铜和硫化铋还可以按照铋元素与铜元素质量比1：0.5混合，然后加入25mL的水进行溶解。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种促进伤口愈合的双硫异质结材料，其特征在于，包括硫化铋、硫化铜、聚多巴胺、以及氧化酶。
2.根据权利要求1所述的一种促进伤口愈合的双硫异质结材料，其特征在于，所述氧化酶为乳酸氧化酶或葡萄糖氧化酶。
3.一种促进伤口愈合的双硫异质结材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：制备硫化铋
将一定量五水合硝酸铋和L-半胱氨酸混合，加入去离子水溶解；将溶液置于水热釜中进行反应，反应后取出进行离心，得沉淀物，烘干即得硫化铋；
步骤2：制备硫化铋硫化铜异质结
S21：将氯化铜和硫化铋按照铋元素与铜元素质量比1：0.5～1混合，加水溶解后加入表面活性剂；
S22：用氢氧化钠溶液调节溶液pH至9.0后，边搅拌边加入还原剂并反应5分钟；
S23：向步骤S22中溶液缓慢添加硫化钠溶液，并进行水热反应，得到浑浊溶液，离心后将沉淀干燥，得硫化铋硫化铜异质结，即双硫金属异质结粉末；
步骤3：向硫化铋硫化铜异质结上负载氧化酶
S31：称取一定量的盐酸多巴胺溶解于Tris溶液中；
S32：将双硫金属异质结浸没于所述S31配制的溶液中，并置于恒温摇床中进行反应，反应结束后离心除去上清液，保留沉淀；
S33：向所述步骤S32得到的沉淀中滴入氧化酶，然后冷冻干燥即得到双硫异质结材料；所述氧化酶为乳酸氧化酶或葡萄糖氧化酶。
4.根据权利要求3所述的一种促进伤口愈合的双硫异质结材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1和步骤2中离心的时间均为10分钟，转速均为8000rpm。
5.根据权利要求3所述的一种促进伤口愈合的双硫异质结材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1中五水合硝酸铋取480mg，L-半胱氨酸取280mg，且加入的去离子水体积为10mL，且水热反应釜温度为150℃，反应12h。
6.根据权利要求5所述的一种促进伤口愈合的双硫异质结材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中氯化铜的用量为0.5mM，溶解用水量为25mL；氢氧化钠用量为1mM，硫化钠溶液用量为0.5mM。
7.根据权利要求6所述的一种促进伤口愈合的双硫异质结材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的表面活性剂为PVP，且加入量为0.24g；还原剂为水合肼，加入量为64μL。
8.根据权利要求3所述的一种促进伤口愈合的双硫异质结材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2中水热反应的温度为75℃，反应2h。
9.根据权利要求8所述的一种促进伤口愈合的双硫异质结材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中Tris溶液的pH值为8.6，且盐酸多巴胺溶液的浓度为2mg/mL，所述滴加的氧化酶的浓度为1mg/mL。
10.根据权利要求3所述的一种促进伤口愈合的双硫异质结材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中恒温摇床的温度控制在37℃，反应时间为24h。
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