多酸基纳米复合材料的构建及抗菌性能研究

发布时间：2020-06-12 02:04

【摘要】：杂化材料的主要优点之一是可以构造出由不同的、反应灵敏的部件组成的模块化复合材料组件,其性能优于单一组分。多金属氧酸盐(简称:多酸,POMs)是由早期过渡金属与氧原子自组装形成的高负电荷离子团簇,具有广泛的物理化学性质,由于其生物和生化作用,包括抗肿瘤、抗病毒和抗菌的特性,POMs和POM基系统被认为是最有前途的金属药物。尽管POMs作为金属药物具有相当大的潜力,但由于纯无机POMs在生理pH溶液中大多不稳定存在且具有高的毒性,从而限制了它们在临床上的应用。在目前的研究中,克服这一瓶颈的最佳方法是从无机POMs转移到基于POM的有机-无机杂化以及纳米复合材料体系的构建。这些体系的构建将有助于增强POMs的稳定性,并且能显著降低其固有的毒性,从而获得更有前景的治疗应用。由于细菌对全球公众健康构成威胁,特别是世界各地耐药性细菌的出现和在全球的快速传播加速了对新的替代抗菌剂的迫切需要。所以本文着重研究了基于POM的杂化和纳米复合材料抗菌活性及其在抗细菌斗争中的治疗潜力,重点介绍了生物活性POM基杂化和纳米复合结构的合成和性能。通过对POM基杂化和纳米复合物抗菌活性和结构的分析,提出了可能的作用方式,包括POMs与细菌细胞相互作用的潜在靶点,从而为合成功能强大的基于POM的抗菌药物提供思路。主要研究工作如下:1.多酸基有机-无机杂化化合物的合成在常规水溶液条件下,选用有机小分子配体2/3/4-氨基吡啶、咪唑/吡唑和过渡金属Cu离子、浓H_3PO_4、Na_2MoO_4·2H_2O/(NH_4)_2Mo_2O_7·4H_2O构筑了六例Strandberg型无机-有机杂化化合物。并通过X-射线单晶衍射、傅里叶红外光谱(FT-IR)和粉末X-射线衍射(PXRD)等测试手段对其结构和组成成分进行了表征,证实了我们成功地获得了有机功能化的POMs结构。热分析(TG)和紫外光谱(UV)表明该有机小分子修饰的POMs具有较好的稳定性。扫描电子显微镜观察到样品呈纳米块状或棒状结构,且具有光滑的表面。同时还对其进行了元素分析和能量色散X-射线(EDX)mapping图谱扫描,结果与X-射线单晶衍射分析相一致。2.多酸基纳米复合材料体系的构建采用逐层组装技术,在聚多巴胺(PDA)预组装的磁性Fe_3O_4 MPs微球表面接枝POM基杂化物,从而获得核壳结构的POM基纳米复合材料(简写为Fe_3O_4@PDA@POM)。对合成的材料进行了深入的物理化学表征,用粉末X-射线衍射(PXRD)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、X-射线光电子(XPS)能谱、能量色散X-射线(EDX)能谱和热分析(TG)等测试,对该材料的组成和成分进行表征,证明了我们合成策略的可行性。用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)及其mapping扫描图对材料的尺寸和形貌进行测定,证实了所制备的纳米微球具有分层的核-壳结构,POM涂层厚度约为15 nm。磁性能分析与分散磁选实验表明该材料具有强的磁响应能力,足以实现样品的快速回收。此外,高负的Zeta电位值表明该样品具有较好的稳定性和高度分散性。3.多酸基纳米复合材料抗菌性能评价采用菌落计数法定性和定量评价了所合成的POM基纳米复合材料对革兰氏阴性菌大肠杆菌和革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌的抑菌潜力。抑菌活性实验表明,POM功能化的Fe_3O_4纳米复合材料显示出比Fe_3O_4 MPs更好的抗菌性能,POM在提升抗菌活性方面起着重要作用,这可能归因于两种抗菌材料在一个单一体系中的协同作用,而Fe_3O_4MPs可作为POM稳定剂和载体。单一组分对照实验表明,原始的POM分子比Fe_3O_4@PDA@POM具有更低的抗菌潜力,即使在较高的浓度下活性也比Fe_3O_4@PDA@POM低,其中POM中的Cu~(2+)可能是其抗菌性能的最活跃的部位。4.多酸基纳米复合材料潜在抑菌作用模式研究选择以大肠杆菌为模型对所合成的POM基纳米复合材料潜在抗菌机理进行了研究。结果表明,Fe_3O_4@PDA@POM的抗菌行为模式不是由单一物质的严格机制来解释的,而是几个组分的多重相互作用所致,包括细胞壁/膜破裂、核酸和蛋白质的渗漏、呼吸链脱氢酶活性的干扰、活性氧的积累和谷胱甘肽的丢失等过程,这些干扰因素的综合作用导致了细菌细胞的最终死亡。
【图文】：

抗菌活性,枯草芽孢杆菌,有机分子,活性比

和枯草芽孢杆菌(B. subtilis)均都具有较好的抗菌活性(MIC 值为 40 ~ 130 μg/mL)，且革兰氏阳性菌对所合成的化合物敏感性略高 ( 图 1 1) 。[{2-(Me2NCH2C6H4)SbIII}3(B-α-AsIIIW9O33)]3 (3) (MIC 值 E. coli: 130 μg/mL; B. subtili60 μg/mL)的活性略低于其他两种化合物，而[(PhSbIII)4(A-α-GeIVW9O34)2]12 (1) (MIC 值E. coli：80 μg/mL, B. subtilis: 40 80 μg/mL)的活性比[(PhSbIII)4(A-α-PVW9O34)2]10 (2(MIC 值 E. coli: 110 μg/mL，B. subtilis: 50 μg/mL)更高，，说明结构(有机分子的体积)和负电荷对生物活性的重要性[28]。

颜色代码,红色,抑菌实验,革兰氏阳性

图 1 2 组合多面体/球-杆表示: (a) [(PhSbIII){Na(H2O)}AsIII2W19O67(H2O)]11 ; (b)[(PhSbIII)2AsIII2W19O67(H2O)]10 (c) [(PhSbIII)3(B-α-AsIIIW9O33)2]12 ; 颜色代码：WO6，红色八面体；W在中间地带，黑色；As，黄色；Sb，蓝绿色；Na，紫色；O，红色；C，灰色球；为了清楚起见，省略氢原子表 1 2 不同聚阴离子对革兰氏阳性和革兰氏阴性菌的 MIC 值生物活性依赖于有机 {PhSbIII} 组分这一结论后来又被杂化化合物[(PhSbIII)4(A-α-AsVW9O34)2]10 结构中羟基取代苯基所得的复合物[(OHSbIII)(A-α-AsVWO)]10 的活性进一步比较所证实(图 1 3)[30]。抑菌实验结果表
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB33;TB383.1;R318.08

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