用于抗细菌生物膜感染的微针阵列及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种用于抗细菌生物膜感染的微针阵列，由基底和在基底一侧上阵列分布的微针组成，微针呈棱锥状，微针阵列的基体材料为生物相容的水溶性生物可降解高分子材料，微针的基体材料中负载有抗生素和载金属纳米粒子的微球，所述载金属纳米粒子的微球主要负载于微针的尖端部；所述载金属纳米粒子的微球由丝素蛋白微球和均匀分布在丝素蛋白微球中的金属纳米粒子组成，所述丝素蛋白微球由丝素蛋白和电中性/带负电的多糖在全水相环境中制备得到；该微针阵列在按压施用至皮肤的细菌生物膜感染部位后，微针尖端首先作用于细菌生物膜对细胞外聚合物进行物理破坏，随后微针溶解而将抗生素和载金属纳米粒子的微球释放至细菌生物膜中并杀灭细菌。生物膜中并杀灭细菌。

【技术实现步骤摘要】
用于抗细菌生物膜感染的微针阵列及其制备方法


[0001]本专利技术属于抗细菌生物膜感染微针材料领域，涉及用于抗细菌生物膜感染的微针阵列及其制备方法。

技术介绍

[0002]创伤或手术治疗后发生细菌生物膜感染进而延迟愈合过程，是全球主要的医疗保健问题之一。细菌牢固包埋于一个由多糖、蛋白质、核酸和脂类组成的保护性细胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)中形成了生物膜。EPS的致密结构是细菌抵御外部侵害的强大屏障，这将导致比浮游细菌高约1000倍的抗生素抵抗和耐药性诱导。目前，机械或尖锐清创是临床上去除生物膜的标准护理方法，然而清创治疗过程中伴有剧烈疼痛且生物膜通常会在初次清创后的两天内再生，致使患者依从性差、死亡率增高。因此，迫切需要更有效、患者依从性更好的方法来消除伤口细菌生物膜。
[0003]丝素蛋白(Silk Fibroin,SF)是一种具有重复模块化疏水结构域和小亲水性基团的天然生物大分子，因其优异的机械性能和良好的生物相容性被广泛用于组织再生领域。丝素蛋白良好的润湿性使得细菌易于附着在其表面，利用金属元素、天然抗菌剂、人工合成抗菌聚合物等与丝素蛋白复合形成生物抗菌材料，并加工成微球、水凝胶、膜、纤维、支架等多种不同形态，可通过两步作用机制先将细菌黏附在其表面，再将细菌杀灭。但这些形式的抗菌材料基本是通过喷撒或定植在患处，依靠抗菌剂对细菌生物膜的穿透能力杀灭膜内细菌，但因生物膜的屏障作用，这些给药方式导致材料中的抗菌剂对生物膜的穿透能力十分有限。虽然纳米材料相对于大凝胶材料有更强的穿透生物膜的能力，但仍然较为有限，同时，在细菌感染部位有很多巨噬细胞，纳米尺度的颗粒容易被巨噬细胞摄取，因此总体而言，纳米材料抗细菌生物膜的效果也有待改善。
[0004]载金属纳米粒子的丝素蛋白微球，利用酪氨酸残基的强供电子性能将金属离子还原为纳米单质，并通过配位作用稳定负载，可有效阻止金属纳米粒子的团聚和氧化，增强其抗菌、抗生物膜性和细胞相容性。已有研究报道过用于获得从几十纳米到几百微米不等的丝素蛋白微球的方法，包括自组装法、乳化法、盐析法、喷雾干燥法、微流控法以及高压静电喷射法等。但是，丝素蛋白微球结晶度低、毒性交联剂残留、制备过程繁琐以及成本高、难以实现规模化生产等诸多问题始终限制着丝素蛋白微球在临床上的进一步推广和使用。目前迫切需要开发出安全性好、粒径可控、结晶度高的抗菌丝素蛋白微球的制备方法。除此之外，面对细菌生物膜结构复杂、耐药菌数量不断增加的现状，最大限度地破坏EPS，实现抗菌剂或抗菌微球在生物膜内的高效递送也至关重要。

技术实现思路

[0005]针对现有生物膜治疗方法存在的抗生素渗透性差、耐药性诱导等问题，本专利技术提供了一种用于抗细菌生物膜感染的微针阵列及其制备方法，以实现抗生素和金属纳米粒子的协同抗菌作用并获得更广泛的抗菌谱。
[0006]为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]一种用于抗细菌生物膜感染的微针阵列，该微针阵列由基底和在基底一侧上阵列分布的微针组成，微针呈棱锥状，所述微针阵列的基体材料为水溶性生物可降解高分子材料，微针的基体材料中负载有抗生素和载金属纳米粒子的微球，所述载金属纳米粒子的微球主要负载于微针的尖端部；所述载金属纳米粒子的微球由丝素蛋白微球和均匀分布在丝素蛋白微球中的金属纳米粒子组成，所述丝素蛋白微球由丝素蛋白和电中性/带负电的多糖在全水相环境中制备得到，所述金属纳米粒子为对细菌具有杀灭作用的金属纳米粒子；
[0008]该微针阵列在按压施用至皮肤的细菌生物膜感染部位后，微针尖端首先作用于细菌生物膜对细胞外聚合物(EPS)进行物理破坏，随后微针溶解而将抗生素和载金属纳米粒子的微球释放至细菌生物膜中，释放出的抗生素直接杀灭细菌，释放出的载金属纳米粒子的微球诱导细菌在载金属纳米粒子的微球表面黏附并将细菌杀灭。
[0009]上述用于抗细菌生物膜感染的微针阵列的技术方案中，所述电中性/带负电的多糖包括透明质酸、葡聚糖以及海藻酸钠中的至少一种。
[0010]上述用于抗细菌生物膜感染的微针阵列的技术方案中，利用电中性/带负电的多糖，例如透明质酸(Hyaluronicacid,HA)与丝素蛋白巨大的溶解性差异以及电荷特性促进丝素蛋白微球的成型，实现了丝素蛋白微球在全水相环境中的可控制备，全水相制备有效提高了丝素蛋白微球的安全性，由此解决了现有技术制备丝素蛋白微球时存在的毒性交联剂残留、制备过程繁琐、成本高难以实现规模化生产等问题，有利于丝素蛋白微球在临床上的推广和应用。
[0011]上述用于抗细菌生物膜感染的微针阵列的技术方案中，所述载金属纳米粒子的微球的制备方法如下：
[0012](1)将丝素蛋白溶水溶液和透明质酸水溶液混合均匀得到混合液，该混合液中丝素蛋白的浓度为1wt.％～4wt.％；
[0013](2)将混合液在温度为60～120℃、相对湿度为70％～80％的恒温恒湿环境中干燥成膜，将膜用水溶解，然后离心、弃上清，将所得产物洗涤并冷冻干燥，得到丝素蛋白微球；
[0014](3)将步骤(2)制备的丝素蛋白微球充分分散在金属离子水溶液中，将所得分散液在紫外光下充分辐照，丝素蛋白将金属离子还原为金属纳米离子并通过配位作用将金属纳米离子稳定固定在丝素蛋白微球中，然后离心、弃上清，将所得产物洗涤并冷冻干燥，得到载金属纳米粒子的微球。
[0015]在步骤(2)制备丝素蛋白微球时，丝素蛋白微球的粒径、丝素蛋白微球中丝素蛋白的二级结构，会受到干燥成膜时的温度、混合液的黏度，以及电中性/带负电的多糖与丝素蛋白的质量比的影响；在步骤(3)制备载金属纳米粒子的微球时，丝素蛋白微球中电中性/带负电的多糖与丝素蛋白的比例关系、在紫外光下的辐照时间、丝素蛋白微球与金属离子的比例关系，会共同影响对金属离子的还原能力。因此，可以根据实际应用时对载金属纳米粒子的微球的粒径和金属纳米粒子负载量等的需求，灵活调整步骤(1)所述混合液中电中性/带负电的多糖与丝素蛋白的质量比以及二者的浓度，步骤(2)中干燥成膜时的温度，步骤(3)中在紫外光下的辐照时间以及丝素蛋白微球与金属离子的比例关系。
[0016]上述用于抗细菌生物膜感染的微针阵列的技术方案中，在制备载金属纳米粒子的微球时，最好是控制步骤(1)所述混合液中电中性/带负电的多糖与丝素蛋白的质量比为(1
～4):1，通常可控制步骤(3)所述分散液中丝素蛋白微球与金属离子供体的质量比为1:(5～10)，所述金属离子水溶液是将金属离子供体溶解在水中形成的，金属离子溶液中的金属离子供体的浓度通常为5～60mg/mL，步骤(3)在紫外光下辐照时，通常控制辐照时间为15～90min。
[0017]上述用于抗细菌生物膜感染的微针阵列的技术方案中，该微针阵列中抗生素的含量和载金属纳米粒子的微球的含量可以根据实际应用时给药剂量的要求进行确定，以在达到预期抗菌效果的同时减少蓄积毒性。例如，对于一片分布有100个微针的微针阵列而言，微针阵列中，抗本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于抗细菌生物膜感染的微针阵列，该微针阵列由基底和在基底一侧上阵列分布的微针组成，微针呈棱锥状，其特征在于，所述微针阵列的基体材料为生物相容的水溶性生物可降解高分子材料，微针的基体材料中负载有抗生素和载金属纳米粒子的微球，所述载金属纳米粒子的微球主要负载于微针的尖端部；所述载金属纳米粒子的微球由丝素蛋白微球和均匀分布在丝素蛋白微球中的金属纳米粒子组成，所述丝素蛋白微球由丝素蛋白和电中性/带负电的多糖在全水相环境中制备得到，所述金属纳米粒子为对细菌具有杀灭作用的金属纳米粒子；该微针阵列在按压施用至皮肤的细菌生物膜感染部位后，微针尖端首先作用于细菌生物膜对细胞外聚合物进行物理破坏，随后微针溶解而将抗生素和载金属纳米粒子的微球释放至细菌生物膜中，释放出的抗生素直接杀灭细菌，释放出的载金属纳米粒子的微球诱导细菌在载金属纳米粒子的微球表面黏附并将细菌杀灭。2.根据权利要求1所述用于抗细菌生物膜感染的微针阵列，其特征在于，所述电中性/带负电的多糖包括透明质酸、葡聚糖以及海藻酸钠中的至少一种。3.根据权利要求1所述用于抗细菌生物膜感染的微针阵列，其特征在于，所述载金属纳米粒子的微球的制备方法如下：(1)将丝素蛋白溶水溶液和电中性/带负电的多糖的水溶液混合均匀得到混合液，该混合液中丝素蛋白的浓度为1wt.％～4wt.％；(2)将混合液在温度为60～120℃、相对湿度为70％～80％的恒温恒湿环境中干燥成膜，将膜用水溶解，然后离心、弃上清，将所得产物洗涤并冷冻干燥，得到丝素蛋白微球；(3)将丝素蛋白微球充分分散在金属离子水溶液中，将所得分散液在紫外光下充分辐照，丝素蛋白将金属离子还原为金属纳米离子并通过配位作用将金属纳米离子稳定固定在丝素蛋...

【专利技术属性】
技术研发人员：巨晓洁，李瑶，褚良银，龚珏颖，刘壮，汪伟，谢锐，潘大伟，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：