一种手性半胱氨酸纳米自组装抗菌材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种手性半胱氨酸纳米自组装抗菌材料及其制备方法和应用。

背景技术

L-半胱氨酸(L-Cys)是一种生物体内常见的氨基酸，有消除炎症反应、加速体内重金属离子分解和排除体外、降低乙醛在体内的积累，起到保护肝脏的作用等，目前已被用于食品、医药、化妆品等领域。D-半胱氨酸(D-Cys)是L-Cys的天然对映体，主要通过L-Cys手性催化合成，对大多数细菌如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等都有一定的抗菌效果，特别是对于大肠杆菌有较强的抗菌作用。但因制备成本高、溶解度低、不稳定等问题严重影响其产业化应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种手性半胱氨酸纳米自组装抗菌材料及其制备方法和应用，将半胱氨酸和纳米金按照特定的方式进行组装，克服了纳米金颗粒聚集的问题，且显著提高体系的稳定性，而且能大大增强其抗菌活性。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种手性半胱氨酸纳米自组装抗菌材料，该材料通过如下方法制备得到：

(1)将水与氯金酸溶液混合，搅拌加热至沸腾，随后加入柠檬酸三钠溶液，加热搅拌至溶液颜色不发生改变，停止加热，加入氢氧化钠溶液，最后加入半胱氨酸溶液，搅拌冷却至室温，得到Au/cys纳米颗粒溶液；

(2)向Au/cys纳米颗粒溶液中加入巯基聚乙二醇溶液，室温搅拌后，离心去上清，加水重悬，得到Au/cys-PEG纳米颗粒溶液；

(3)向Au/cys-PEG纳米颗粒溶液中加入半胱氨酸溶液，室温搅拌后，离心去上清，加水重悬，得到Au/cys-PEG/cys纳米抗菌溶液。

一种手性半胱氨酸纳米自组装抗菌材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)将水与氯金酸溶液混合，搅拌加热至沸腾，随后加入柠檬酸三钠溶液，加热搅拌至溶液颜色不发生改变，停止加热，加入氢氧化钠溶液，最后加入半胱氨酸溶液，搅拌冷却至室温，得到Au/cys纳米颗粒溶液；

(2)向Au/cys纳米颗粒溶液中加入巯基聚乙二醇溶液，室温搅拌后，离心去上清，加水重悬，得到Au/cys-PEG纳米颗粒溶液；

(3)向Au/cys-PEG纳米颗粒溶液中加入半胱氨酸溶液，室温搅拌后，离心去上清，加水重悬，得到Au/cys-PEG/cys纳米抗菌溶液。

上述方法中：步骤(1)中氯金酸溶液的摩尔浓度为10～20mmol/L；柠檬酸三钠的质量分数为0.1～2.0％；氢氧化钠溶液的摩尔浓度为100～300mmol/L；半胱氨酸溶液的摩尔浓度为100～450mmol/L；氯金酸溶液：水：柠檬酸三钠溶液：氢氧化钠溶液：半胱氨酸溶液的体积比为1～2：45～50：0.5～10：0.5～10：0.5～10。

在一些优选的技术方案中：氯金酸溶液：水：柠檬酸三钠溶液：氢氧化钠溶液：半胱氨酸溶液的体积比为1～2：45～50：0.5～1.5：0.5～1.5：0.5～1.5。

上述方法中：步骤(1)中Au/cys纳米颗粒的粒径为10～15nm；Au/cys纳米颗粒溶液中Au/cys的摩尔浓度为1-15nmol/L。

上述方法中：步骤(2)中Au/cys纳米颗粒溶液与巯基聚乙二醇溶液的体积比1mL：(10～30)μL；巯基聚乙二醇的平均分子量为350～8000kD，巯基聚乙二醇的浓度为1～10mM；Au/cys-PEG纳米颗粒溶液中Au/cys-PEG的摩尔浓度为1-15nmol/L。

上述方法中：步骤(3)中Au/cys-PEG纳米颗粒溶液与半胱氨酸溶液的体积比为1mL：(30～80)μL；半胱氨酸溶液摩尔浓度为40～80mmol/L；Au/cys-PEG/cys纳米颗粒溶液中Au/cys-PEG/cys的摩尔浓度为1-15nmol/L。

上述方法中：步骤(1)和步骤(3)中的半胱氨酸为D-半胱氨酸或L-半胱氨酸。

本发明技术方案中：所述的手性半胱氨酸纳米自组装抗菌材料在作为抗菌材料方面的应用。

本发明的有益效果：

(1)抗菌活性高效、广谱：仅需少量浓度的纳米材料即可对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌产生强烈的杀菌效果，具有广谱抗菌性；

(2)化学性质稳定；能有效防止纳米金颗粒的团聚，可长时间保存并有较高的抗菌活性；

(3)生物安全性好：通过在纳米金表面定向组装半胱氨酸，可大大降低其细胞毒性；

(4)合成方法简单：反应条件温和、试剂绿色环保，操作简单，易于控制。

附图说明

图1为不同纳米材料溶液4℃放置14天后的紫外光谱图

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：

实施例1

(1)Au/D-cys纳米颗粒制备：

取一洁净的锥形瓶置于搅拌加热器，依次加入48.75mL超纯水与1.25mL 10mmol/L的氯金酸溶液，搅拌加热至沸腾后，快速加入1mL 1.2％的柠檬酸三钠溶液，待溶液颜色变成酒红色后停止加热，依次加入1mL 150mmol/L的氢氧化钠溶液和1mL 200mmol/L D-cys溶液，室温搅拌2h，得到Au/D-cys纳米颗粒溶液；Au/D-cys纳米颗粒的粒径为15±2nm；Au/D-cys纳米颗粒溶液中Au/D-cys的摩尔浓度为5nmol/L。

(2)Au/D-cys-PEG纳米颗粒制备：

向步骤(1)得到的1mL Au/D-cys纳米颗粒溶液中加入20μL 6mM的巯基聚乙二醇溶液(分子量为1000kD)，室温搅拌1h后，7200rpm/min离心25min，去上清，加超纯水重悬得到Au/D-cys-PEG纳米颗粒溶液；Au/D-cys-PEG纳米颗粒溶液中Au/D-cys-PEG的摩尔浓度为5nmol/L。

(3)Au/D-cys-PEG/D-cys纳米颗粒制备：

向步骤(2)得到的1mL Au/cys-PEG纳米颗粒溶液中加入50μL 80mmol/L D-cys溶液，室温搅拌20min后，7200rpm/min离心25min，去上清，加入超纯水重悬得到Au/D-cys-PEG/D-cys纳米抗菌溶液；Au/D-cys-PEG/D-cys纳米颗粒溶液中Au/D-cys-PEG/D-cys的摩尔浓度为5nmol/L。

实施例2

(1)Au/L-cys纳米颗粒制备：

取一洁净的锥形瓶置于搅拌加热器，依次加入48.75mL超纯水与1.25mL 10mmol/L的氯金酸溶液，搅拌加热至沸腾后，快速加入1mL 1.2％的柠檬酸三钠溶液，待溶液颜色变成酒红色后停止加热，依次加入1mL 150mmol/L的氢氧化钠溶液和1mL 200mmol/L L-cys溶液，室温搅拌2h，得到Au/L-cys溶液；Au/L-cys纳米颗粒的粒径为10±2nm；Au/L-cys纳米颗粒溶液中Au/L-cys的摩尔浓度为5nmol/L；

(2)Au/L-cys-PEG纳米颗粒制备：

向步骤(1)得到的1mL Au/L-cys纳米颗粒溶液中加入20μL 6mM的巯基聚乙二醇溶液(分子量为1000kD)，室温搅拌1h后，7200rpm/min离心25min，去上清，加超纯水重悬得到Au/L-cys-PEG纳米颗粒溶液；Au/L-cys-PEG纳米颗粒溶液中Au/L-cys-PEG的摩尔浓度为5nmol/L；

(3)Au/L-cys-PEG/L-cys纳米颗粒制备：

向步骤(2)得到的1mL Au/L-cys-PEG纳米颗粒溶液中加入50μL 80mmol/L L-cys溶液，室温搅拌20min后，7200rpm/min离心25min，去上清，加入超纯水重悬得到Au/L-cys-PEG/L-cys纳米抗菌溶液；Au/L-cys-PEG/L-cys纳米颗粒溶液中Au/L-cys-PEG/L-cys的摩尔浓度为5nmol/L；

实施例3

(1)Au/D-cys纳米颗粒制备：

取一洁净的锥形瓶置于搅拌加热器，依次加入48.75mL超纯水与1.25mL 10mmol/L的氯金酸溶液，搅拌加热至沸腾后，快速加入1mL1.5％的柠檬酸三钠溶液，待溶液颜色变成酒红色后停止加热，依次加入1mL 150mmol/L的氢氧化钠溶液和1mL 250mmol/L D-cys溶液，室温搅拌2h，得到Au/D-cys纳米颗粒溶液；Au/D-cys纳米颗粒的粒径为10±1nm；Au/D-cys纳米颗粒溶液中Au/D-cys的摩尔浓度为10nmol/L；

(2)Au/D-cys-PEG纳米颗粒制备：

向步骤(1)得到的1mL Au/D-cys纳米颗粒溶液中加入20μL 3mM的巯基聚乙二醇溶液(分子量为350kD)，室温搅拌1h后，7200rpm/min离心25min，去上清，加超纯水重悬得到Au/D-cys-PEG纳米颗粒溶液；Au/D-cys-PEG纳米颗粒溶液中Au/D-cys-PEG的摩尔浓度为10nmol/L；

(3)Au/D-cys-PEG/D-cys纳米颗粒制备：

向步骤(2)得到的1mL Au/D-cys-PEG纳米颗粒溶液中加入50μL 40mmol/L D-cys溶液，室温搅拌20min后，7200rpm/min离心25min，去上清，加入超纯水重悬得到Au/D-cys-PEG/D-cys纳米抗菌溶液；Au/D-cys-PEG/D-cys纳米颗粒溶液中Au/D-cys-PEG/D-cys的摩尔浓度为10nmol/L。

实施例4

(1)Au/L-cys纳米颗粒制备：

取一洁净的锥形瓶置于搅拌加热器，依次加入48.75mL超纯水与1.25mL 10mmol/L的氯金酸溶液，搅拌加热至沸腾后，快速加入1mL1.5％的柠檬酸三钠溶液，待溶液颜色变成酒红色后停止加热，依次加入1mL 150mmol/L的氢氧化钠溶液和1mL 250mmol/L L-cys溶液，室温搅拌2h，得到Au/L-cys纳米颗粒溶液；Au/L-cys纳米颗粒的粒径为10±1nm；Au/L-cys纳米颗粒溶液中Au/L-cys的摩尔浓度为10nmol/L；

(2)Au/L-cys-PEG纳米颗粒制备：

向步骤(1)得到的1mL Au/L-cys纳米颗粒溶液中加入20μL 3mM的巯基聚乙二醇溶液(分子量为350kD)，室温搅拌1h后，7200rpm/min离心25min，去上清，加超纯水重悬得到Au/L-cys-PEG纳米颗粒溶液；Au/L-cys-PEG纳米颗粒溶液中Au/L-cys-PEG的摩尔浓度为10nmol/L；

(3)Au/L-cys-PEG/L-cys纳米颗粒制备：

向步骤(2)得到的1mL Au/L-cys-PEG纳米颗粒溶液中加入50μL 40mmol/L L-cys溶液，室温搅拌20min后，7200rpm/min离心25min，去上清，加入超纯水重悬得到Au/L-cys-PEG/L-cys纳米抗菌溶液；Au/L-cys-PEG/L-cys纳米颗粒溶液中Au/L-cys-PEG/L-cys的摩尔浓度为10nmol/L。

对比例1

以单纯金纳米颗粒为对比例1，Au纳米颗粒的摩尔浓度为5nmol/L。

合成步骤如下：取一洁净的锥形瓶置于搅拌加热器，依次加入48.75mL超纯水与1.25mL摩尔浓度10mmol/L的氯金酸溶液，以900r/min搅拌加热至沸腾，随后快速加入1mL1.2％的柠檬酸三钠溶液，待溶液颜色变成酒红色后停止加热，均匀搅拌2h后，金纳米颗粒溶液。

对比例2

以Au/D-cys纳米颗粒为对比例2，Au/D-cys纳米颗粒的摩尔浓度为5nmol/L。

合成步骤如下：取一洁净的锥形瓶置于搅拌加热器，依次加入48.75mL超纯水与1.25mL 10mmol/L的氯金酸溶液，搅拌加热至沸腾后，快速加入1mL 1.2％的柠檬酸三钠溶液，待溶液颜色变成酒红色后停止加热，依次加入1mL 150mmol/L的氢氧化钠溶液和1mL200mmol/L D-cys溶液，室温搅拌2h，得到Au/D-cys溶液。

对比例3

以Au/L-cys纳米颗粒为对比例3，Au/L-cys纳米颗粒的摩尔浓度为5nmol/L。

合成步骤如下：取一洁净的锥形瓶置于搅拌加热器，依次加入48.75mL超纯水与1.25mL 10mmol/L的氯金酸溶液，搅拌加热至沸腾后，快速加入1mL 1.2％的柠檬酸三钠溶液，待溶液颜色变成酒红色后停止加热，依次加入1mL 150mmol/L的氢氧化钠溶液和1mL200mmol/L L-cys溶液，室温搅拌2h，得到Au/L-cys溶液。

对比例4

以Au/D-cys-PEG纳米颗粒为对比例4，Au/D-cys纳米颗粒的摩尔浓度为5nmol/L。合成步骤如下：

(1)Au/D-cys纳米颗粒制备：

取一洁净的锥形瓶置于搅拌加热器，依次加入48.75mL超纯水与1.25mL 10mmol/L的氯金酸溶液，搅拌加热至沸腾后，快速加入1mL 1.2％的柠檬酸三钠溶液，待溶液颜色变成酒红色后停止加热，依次加入1mL 150mmol/L的氢氧化钠溶液和1mL 200mmol/L D-cys溶液，室温搅拌2h，得到Au/D-cys溶液；

(2)Au/D-cys-PEG纳米颗粒制备：

向步骤(1)得到的1mL Au/D-cys纳米颗粒溶液中加入20μL 6mM的巯基聚乙二醇溶液(分子量为1000kD)，室温搅拌1h后，7200rpm/min离心25min，去上清，加超纯水重悬得到Au/D-cys-PEG纳米颗粒溶液。

对比例5

以Au/L-cys-PEG纳米颗粒为对比例5，Au/L-cys纳米颗粒的摩尔浓度为5nmol/L。

合成步骤如下：

(1)Au/L-cys纳米颗粒制备：

取一洁净的锥形瓶置于搅拌加热器，依次加入48.75mL超纯水与1.25mL 10mmol/L的氯金酸溶液，搅拌加热至沸腾后，快速加入1mL1.2％的柠檬酸三钠溶液，待溶液颜色变成酒红色后停止加热，依次加入1mL 150mmol/L的氢氧化钠溶液和1mL 200mmol/L L-cys溶液，室温搅拌2h，得到Au/L-cys溶液；

(2)Au/L-cys-PEG纳米颗粒制备：

向步骤(1)得到的1mL Au/L-cys纳米颗粒溶液中加入20μL 6mM的巯基聚乙二醇溶液(分子量为1000kD)，室温搅拌1h后，7200rpm/min离心25min，去上清，加超纯水重悬得到Au/L-cys-PEG纳米颗粒溶液。

对比例6

以200mmol/L D-半胱氨酸(D-cys)溶液为对比例6。

称取20mg D-cys，用超纯水溶解成摩尔浓度200mmol/L D-cys溶液。

对比例7

以200mmol/L L-半胱氨酸(L-cys)溶液为对比例7。

称取20mg L-cys，用超纯水溶解成摩尔浓度200mmol/L L-cys溶液。

空白组

以超纯水为空白组。

性能检测：

1)抗菌性能测试

以金黄色葡萄球菌和大肠杆菌作为代表菌，测定实施例制备的纳米材料对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的抗菌活性，实施例1～4、空白组及对比例1～7中的材料取相同体积，分别与细菌溶液混合培养4h后，通过对比细菌菌落数的变化，评价手性半胱氨酸纳米自组装材料的抗菌性能。

在杀菌处理前，细菌的菌落数为10

实施例1～4、空白组和对比组1～7与细菌溶液混合培养后，细菌菌落数变化值如表所示。

表1大肠杆菌菌落数变化值

从表1中可以看出，Au/D-cys-PEG/D-cys或Au/L-cys-PEG/L-cys手性纳米材料处理后的(实施例1～4)大肠杆菌的菌落数远远低于空白组、单纯纳米金(对比例1)、Au/D-cys(对比例2)、Au/L-cys颗粒组(对比例3)、Au/D-cys/PEG(对比例4)、Au/L-cys/PEG(对比例5)、单纯D-cys(对比例6)及单纯L-cys(对比例7)，说明制备的手性纳米抗菌具有强的抗菌活性。

表2金黄色葡萄球菌菌落数变化值

从表2中可以看出，Au/D-cys-PEG/D-cys或Au/L-cys-PEG/L-cys手性纳米材料处理后的(实施例1～4)金黄色葡萄球菌的菌落数远远低于空白组、单纯纳米金(对比例1)、Au/D-cys(对比例2)、Au/L-cys颗粒组(对比例3)、Au/D-cys/PEG(对比例4)、Au/L-cys/PEG(对比例5)、单纯D-cys(对比例6)及单纯L-cys(对比例7)，说明制备的手性纳米抗菌具有强的抗菌活性。

同表1相比较，Au/D-cys-PEG/D-cys或Au/L-cys-PEG/L-cys对金黄色葡萄球菌的抗菌效果稍低于大肠杆菌。其原因在于，金黄色葡萄球菌属于革兰氏阳性菌，其外层具有一层厚厚的细胞壁，对细菌具有一定的保护作用，因此较革兰氏阴性菌难杀死。

2)稳定性能测试

将实施例1～4、空白组和对比组1～7放置于4℃冰箱中，14天后，取实施例1～4、空白组及对比例1～7的相同体积材料，分别与大肠杆菌溶液混合培养4h后，通过对比大肠杆菌菌落数的变化，评价手性半胱氨酸纳米自组装材料的稳定性。

表3储存14天后手性纳米自组装材料抗菌活性检测

从表3中可以看出，在4℃储存14天后，Au/D-cys-PEG/D-cys或Au/L-cys-PEG/L-cys手性纳米材料的抗菌活性没有太大变化(实施例1～4)。相比之下，单纯D-cys(对比例6)或L-cys(对比例7)及纳米金修饰后的Au/D-cys(对比例2)或Au/L-cys颗粒组(对比例3)，很快丧失其活性，这可能与纳米材料的稳定性有关。当纳米材料聚集后(图1)，其抗菌活性会显著降低。说明该方法能够显著提高半胱氨酸及纳米金的稳定性，延长其抗菌活性。