基于氧化石墨烯复合水凝胶的制备及协同抗菌活性的研究

The rapid emergence and spread of antibiotic-resistant superbugs have made the development of safe antibacterial material more complicated. Antibacterial and safe hydrogels with minimal cytotoxicity have emerged as important weapons to combat infections associated with superbugs.The present project attempts to find an alternative way to synthesize hydrogel which can defense superbugs by combination of GO as a physical antibiotics and poly(amino ester) as a highly antibacterial and biocompatible cationic polymer. The fact that poly(amino ester) chains exhibit shrink-swelling property when heating up or cooling down to critical transition temperature, in this point, it will promote GO sheets stable dispersions due to the inter-electrostatic interactions between poly(amino ester) positive charge and GO negative charge under ultrasonication. The GO sheets are well stabilized and separated by the steric hindrance arising from the local molecular chains of poly(amino ester). We try to prepare highly antibacterial GO-poly(amino ester) hybrid hydrogel in three methods: swelling-shrinking method, in situ polymerization and radiation-induced cross-linking method. Several fundamental questions will be systematically addressed, including the intrinsic relationship between poly(amino ester) structure, GO solution parameters and the micro-structure of hydrogel. Finally the antibacterial activity and the mechanism of hybrid hydrogel to methicillin-resistant Staphylococcus aureus （MRSA）will be evaluated and the safety of hydrogel will be assessed. This research will create a new methodology of producing high carbon-based antibacterial nanocomposite.

耐药性“超级细菌”的出现和蔓延对开发高效安全抗菌材料提出了诸多挑战，抗菌水凝胶被视为抵御“超级细菌”集成武器，本项目拟结合无耐药性的物理“抗生素”氧化石墨烯（GO）和高抗菌性能和良好生物相容性聚氨基酯，探求一条制备高效和安全抗菌水凝胶途径。利用聚氨基酯链段在临界转变温度前后“伸展-收缩”特点，结合聚氨基酯正电荷与GO负电荷之间“内场”静电作用，借助“外场”超声作用，内外合力促使GO片层受聚氨基酯链段取向的空间限制而稳定分散。通过“溶胀-收缩”法或原位聚合法或辐射法，以聚氨基酯为基体构筑强界面结合力的氧化石墨烯／聚氨基酯复合水凝胶。本项目将系统研究聚氨基酯的结构与GO形态之间的相互关系；揭示制备方法、GO溶液参数与水凝胶微结构之间调控规律；评估水凝胶对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的抗菌活性，阐明水凝胶的协同抗菌机制。本项目的实施为制备石墨烯抗菌复合材料提供新方法和理论依据。

石墨烯是一种潜在的无耐药性的物理“抗生素”，聚氨基酯是一类可生物降解材料，可生物降解材料能明显增加人体抵抗细菌感染能力，提升人体免疫力，聚氨基酯的高抗菌性、低毒性和可生物降解性用于生物医用材料具有潜在价值。本青年项目旨在发现氧化石墨烯与高抗菌性、低毒性和可生物降解聚氨基酯有效复合是否可以实现氧化石墨烯的良好分散、减少片层堆积，又可以发挥聚氨基酯抗菌效果和生物相容性，达到协同抗菌效应。.经过三年的研究，在材料合成方面，我们在制备的聚氨基酯纳米粒子药物载体和聚氨基酯抗菌水凝胶，通过准确设计反应单体的投料比，精确实现聚氨基酯的临界转变温度的调控，通过相关的化学表征手段考察聚氨基酯合成单体的配比对聚合物结构的影响，温度的响应，pH的响应，聚合物纳米粒子的粒径的变化与稳定性和载药性能等研究。我们利用聚氨基酯链段在临界转变温度前后“伸展-收缩”特点，结合聚氨基酯正电荷与GO负电荷之间“内场”静电作用,聚氨基酯抗菌水凝胶与氧化石墨烯结合在一起，设计制备出了一类生物相容性良好的抗菌氧化石墨烯-聚氨基酯复合水凝胶两者相互诱导，协同产生新生物效用，具有较好的抗菌作用，氧化石墨烯-聚氨基酯水凝胶在不同的温度下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具有良好的抗菌性能。.本项目执行三年的时间共发表论文5篇（均已标注本基金号），包括SCI论文1篇《Chinese Journal of Polymer Science》，EI会议1篇，《化工新型材料》、《中国食品添加剂》3篇核心研究论文，）申请国家发明专利2项，其中1项已授权。联合培养研究生2名，培养优秀本科毕业生3名。总体成果达到申请书预定目标。.该项目的顺利完成为后续探索可实用的可生物降解抗菌水凝胶提供了新的研究依据，对相关的生物医用抗菌材料的筛选起到了一定的指导作用。