[发明专利]一种可余辉光监测缓释抗菌的锗酸锌基质纳米材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种可余辉光监测缓释抗菌的锗酸锌基质纳米材料及其制备方法，属于抗菌纳米材料制备领域。本发明所述锗酸锌基质抗菌纳米材料的化学组成通式为Zn₂GeO₄:xM，0.001≤x≤0.02，其中，Zn₂GeO₄为基质，M为具有抗菌作用的金属离子。本发明中的锗酸锌基质抗菌纳米材料经水热法合成，制备简单，成本低，可用于工业化生产；材料在细菌感染部位具有优异的广谱抗菌性能，金属离子缓释可以长期维持较高的抗菌浓度，抗菌周期长，诱导细菌产生耐药性的可能性极小；在细菌感染部位微酸性环境中，材料的余辉光强度随着材料的降解变化，利用其余辉光强度变化可以实现感染部位抗菌过程的实时监测。

技术领域

本发明涉及一种可余辉光监测缓释抗菌的锗酸锌基质纳米材料及其制备方法，属于抗菌纳米材料制备领域。

背景技术

细菌感染已经成为全世界最大的公共健康问题之一，每年有数以百万计的人死于细菌感染。自1982年青霉素被发现以来，多种抗生素被开发并被广泛持续使用以应对细菌感染。抗生素的过量使用导致细菌出现了耐药性，由此产生了耐多药细菌甚至超级细菌。自上世纪80年代的研发高峰期过后，抗生素的研发速度逐年减缓，2000年之后获批的新型抗生素更是屈指可数，这对处理细菌感染造成了巨大的压力。值得庆幸的是纳米材料的出现为人类与细菌的新较量带来了新的希望。

纳米材料由于尺寸小，产生了许多传统材料并不具备的物理和化学特性，这些特性赋予了纳米材料抗菌的功能。纳米抗菌材料可以同时作用于多个细胞靶点，细菌不能在短时间内产生显著的突变，从而降低了细菌获得耐药性的机会。纳米抗菌材料的抗菌机理包括：(1)纳米材料锋利的边缘和棱角与细菌接触，破坏了细胞壁和细胞膜完整性，造成细胞内容物流出，进而杀死细菌；(2)纳米材料本身与细菌接触后诱导其细胞产生氧化应激反应，或利用光照能够产生活性氧，使细菌体内活性氧物质过度积累造成细菌细胞凋亡；(3)纳米材料具有光热效应，将光转化为热从而杀死细菌；(4)纳米材料能够释放出具有抗菌作用的金属离子Ag⁺、Cu²⁺、Zn²⁺等，释放出的金属离子可以穿过细胞膜破坏细胞内的物质，从而引起细菌的死亡；(5)纳米材料能够阻断细菌跨膜电子转移；(6)纳米材料能够抑制细菌酶活性和DNA合成。

金属离子溶出型纳米材料中金属元素从材料中呈离子状态溶出，吸附在细菌表面，与细胞表面带负电的物质发生反应或者产生活性氧，从而损伤细胞壁并阻碍细胞功能系统正常运行起到抗菌作用。可以通过调整材料的结构和性能来调控金属离子的释放速度，使其具有缓释、控释的功能，能够在较长的时间内保持有效的抗菌浓度，从而提高材料的使用寿命。常用于抗菌的金属离子有Ag⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Ni⁺、Al³⁺、Fe²⁺、Mn²⁺、Sn²⁺、Ba²⁺、Mg²⁺及Ca²⁺等，综合考虑安全性、使用性和抗菌效果等因素，能够被应用的抗菌金属离子主要有Ag⁺、Zn²⁺和Cu²⁺。在同浓度下，多种金属离子共同使用往往比单一金属离子的抗菌效果更好。

目前，尽管研发的一些智能伤口敷料通过集成传感器可以通过实时监测伤口处的温度、pH、血氧水平和体液标志物等按需给药处理感染伤口，但普通的抗菌药物和抗菌纳米材料在细菌感染部位复杂的生物环境中的抗菌过程难以实现实时监测，这给后续及时对感染部位做进一步处理带来了一定困难。若细菌不能及时根除，感染部位可能会发展为慢性伤口，甚至存在截肢和死亡的风险。若能赋予抗菌药物或纳米材料发光特性，通过发光强度的改变实现感染部位抗菌过程的实时监测将是一种更为简便有效的方法。