基于聚多巴胺纳米粒子的抗生物被膜的研究

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细菌生物被膜的形成是引发大多数临床性感染的主要原因之一。目前临床上主要利用抗生素对抗生物被膜。然而,生物被膜对抗生素表现出高耐药性,需要大剂量的抗生素来治疗,这样不仅会加速耐药细菌的产生,同时会对人体产生毒副作用。随着纳米技术的发展,研究发现纳米粒子能够穿过生理和生物被膜屏障,有效杀死生物被膜内的细菌并破坏生物被膜,而纳米粒子在生物被膜内的渗透和富集能力决定了其治疗生物被膜的最终效果。因此,理解纳米粒子与生物被膜的相互作用,调控纳米粒子在生物被膜内的渗透和富集是发展基于纳米颗粒抗生物被膜材料的关键问题。本论文选择聚多巴胺(PDA)纳米粒子,一种仿黑素色材料作为研究对象。基于其良好的生物相容性,优异的光热转化能力和易功能化等特性,PDA近年来在抗菌领域展现出了巨大潜力。目前有关PDA纳米粒子抗生物被膜上的研究主要侧重在以PDA作为载体的功能型纳米抗菌材料的开发上,而对其在生物被膜内的渗透和富集缺乏深入的了解。因此,本论文系统地研究了不同因素对PDA纳米粒子在生物被膜内渗透和富集能力的影响,包括尺寸、表面电荷和外部磁场等,进而设计了基于PDA的抗生物被膜纳米粒子。(1)首先,我们从尺寸角度出发,合成了一系列水合粒径为7~17 nm的小尺寸PDA纳米粒子,并初步考察了其对游离细菌的杀菌作用。细菌的最外层是一层致密的细胞壁,导致大尺寸的纳米粒子很难进入细菌内部,因此发展较小尺寸的纳米粒子(≤30 nm)是构建理想纳米粒子抗菌平台的基础。我们利用自上而下的方法合成了一系列水合粒径为7~17 nm的PDA纳米粒子。经PEG修饰后,这些小尺寸PDA-PEG纳米粒子可以在磷酸盐缓冲溶液(PBS)中稳定存在数月不沉降。进一步将抗生素左氧氟沙星(LVFX)与PDA-PEG组装后,PDA-PEG-LVFX纳米粒子展现出良好的光热效果以及光热稳定性,同时释放出抗生素。在808 nm的激光照射下,PDA-PEG-LVFX纳米粒子对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率均为100%。(2)随后,我们制备了一系列水合粒径为60~200 nm的较大尺寸PDA纳米粒子,并将其与不同端基的DSPE-PEG(DSPE-PEG-OCH3/COOH/NH2)组装,得到了不同表面电荷的PDA纳米粒子,研究了它们与金黄色葡萄球菌生物被膜的相互作用。研究结果表明,PDA纳米粒子在金黄色葡萄球菌生物被膜的渗透和富集具有尺寸依赖性,较小尺寸的PDA纳米粒子(~15 nm)无法留存在生物被膜内,而较大尺寸的PDA纳米粒子(~200 nm)难以进入生物被膜,在60~90 nm范围内的PDA纳米粒子具有更好的渗透和富集能力。此外,相比于表面携带羧基和甲氧基的PDA纳米粒子,表面带有氨基的PDA纳米粒子由于生物被膜带负电的特质,可以进一步帮助PDA纳米粒子富集分布在生物被膜中,在808 nm波长的激光照射下对金黄色葡萄球菌生物被膜展现出更高的杀菌率。(3)最后,在前两章工作的基础上,我们在PDA内部引入磁性纳米粒子(Fe3O4)核,即通过氧化自聚的方法在磁性纳米粒子表面聚合形成PDA壳层,得到了核壳结构的Fe3O4-PDA纳米粒子。实验结果表明,在磁场作用下,Fe3O4-PDA纳米粒子可以主动靶向并准确控制PDA纳米粒子在生物被膜内的运动,进一步提高了纳米粒子在生物被膜内的渗透和富集能力。同时,为了进一步增强PDA纳米粒子的抗生物被膜能力,我们通过π-π堆积和疏水作用在PDA表面负载了具有光热响应性能的一氧化氮(NO)供体分子BNN6。在激光照射和磁场的双重作用下,在体内和体外实验中,Fe3O4-PDA-BNN6不仅体现了磁场增强的光热-NO联合抗生物被膜效果,并表现出促进伤口愈合的能力。
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