一种用于细菌可视化监测和响应抗菌的功能纤维膜及其制备方法和用途

本发明属于生物医药材料领域，具体涉及一种用于细菌可视化监测和响应抗菌的功能纤维膜及其制备方法和用途。

背景技术：

1、皮肤感染是最常见的传染病之一，其深度和严重程度各不相同。这些感染大多起源于金黄色葡萄球菌和β溶血性链球菌。然而，传统的监测方法非常耗时，并且受到复杂仪器或操作员熟练度要求的限制。因此，开发一种功能材料以实现现场细菌感应和有效杀灭在日常生活中在很大程度上是可取的。随着医疗的大数据和个性化医疗需求的不断增长，一些集成了实时监控和按需治疗的智能设备获得了越来越多的关注。到目前为止，已经开发出先进的柔性绷带和各种传感器来监测和治疗伤口感染。然而，它们中的许多仍然停留在传感器集成的水平，需要额外的功率，这反而增加了设备的复杂性并限制了实时监控的便利性。

2、受世界卫生组织(who)全球行动计划的启发，研发便携式和廉价的设备来监测和治疗细菌感染。基于薄膜的设备具有生物安全、高效、便携、可视化和低成本等独特优势，已广泛应用于人工智能检测和筛查人类健康。在细菌感染的诊断中，细菌独特的微环境(ph值、毒素、酶等)有利于研究者对其进行探究。其中，ph值是一个特别有趣的参数，它与细菌的生长和代谢有关，因为许多细菌分解有机物产生酸，并已广泛用于细菌感染的感知。考虑到颜色是一种重要的视觉感知并且可以轻松监测，已经研发了一些用于监测细菌的可变色的薄膜的设备。其中，基于水凝胶的变色伤口敷料显示出使用变色监测伤口的优势。此外，静电纺丝纤维表现出高表面体积比并模仿细胞外基质(ecm)的结构，不同类型的药物也可以与初级基质结合，也显示出作为ph监测传感器的潜力。

3、病原体的常规鉴定主要涉及观察细胞的形态特征、革兰氏染色、培养和生化分析。除了酶联免疫吸附测定(elisa)、聚合酶链反应(pcr)和基于常规培养的测定，还有基于仪器的方法，如流式细胞术和气相色谱法，以及基于光谱的技术，如傅里叶变换红外光谱(ftir)和拉曼光谱。尽管这些方法可能具有灵敏性和特异性，但它们需要大量的样品制备，样品制备需要熟练的人员，检测技术价格昂贵，并且可能会将总检测时间增加到18小时以上，不利于现场应用。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于细菌可视化监测和响应抗菌的功能纤维膜及其制备方法和用途。

2、本发明提供了一种用于细菌可视化监测和响应抗菌的功能纤维膜，它是具有双层结构的纤维膜；

3、所述纤维膜的下层膜由tcs@zif-8纳米粒子和聚ε-己内酯为原料制备而得；

4、所述纤维膜的上层膜由聚ε-己内酯、聚乙二醇、溴麝香草酚蓝为原料制备而得；

5、所述tcs@zif-8纳米粒子由如下重量配比的原料制备而得：硝酸锌六水合物1～5份、三氯生1～5份、2-甲基咪唑1～5份。

6、进一步地，所述tcs@zif-8纳米粒子由如下重量配比的原料制备而得：硝酸锌六水合物1.5份、三氯生1份、2-甲基咪唑3.3份。

7、进一步地，所述tcs@zif-8纳米粒子的制备方法包括如下步骤：

8、(1)将硝酸锌六水合物溶解在溶剂中；

9、(2)将2-甲基咪唑溶解在溶剂中；

10、(3)在步骤(1)得到的溶液中加入三氯生，然后加入步骤(2)得到的溶液，搅拌后离心、干燥，即得tcs@zif-8纳米粒子；

11、优选地，

12、步骤(1)中，所述溶剂为甲醇、水；

13、和/或，步骤(2)中，所述溶剂为甲醇、水。

14、进一步地，所述纤维膜的下层膜是将tcs@zif-8纳米粒子和聚ε-己内酯为原料配制成纺丝液后，通过纺丝而得；

15、所述纺丝液的制备方法包括如下步骤：

16、a)将聚ε-己内酯溶解在溶剂中，得到聚ε-己内酯浓度为5～10wt％的聚ε-己内酯纺丝液；

17、b)将tcs@zif-8纳米粒子加入溶剂中分散均匀，得到tcs@zif-8纳米粒子浓度为1～5mg/ml的分散液；

18、c)将步骤b)的分散液加入步骤a)的聚ε-己内酯纺丝液中，搅拌均匀，即得。

19、进一步地，

20、步骤a)中，所述溶剂为六氟异丙醇、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺；

21、和/或，步骤a)中，所述聚ε-己内酯浓度为8wt％；

22、和/或，步骤b)中，所述溶剂为乙醇；

23、和/或，步骤b)中，所述tcs@zif-8纳米粒子浓度为2mg/ml；

24、和/或，步骤c)中，所述步骤b)的分散液和步骤a)的聚ε-己内酯纺丝液的体积质量比为1ml：20g。

25、进一步地，所述纤维膜的上层膜是将聚ε-己内酯、聚乙二醇和溴麝香草酚蓝为原料配制成纺丝液后，通过纺丝而得；

26、所述纺丝液的制备方法包括如下步骤：

27、i)将聚ε-己内酯和聚乙二醇溶解在溶剂中，得到的混合纺丝液中，聚ε-己内酯的浓度为5～10wt％，聚乙二醇的浓度为5～10wt％；

28、ii)将溴麝香草酚蓝溶解在溶剂中，得到浓度为10～20mg/ml的溴麝香草酚蓝溶液；

29、iii)在步骤i)的混合纺丝液中加入步骤ii)的溴麝香草酚蓝溶液，搅拌均匀，即得；

30、优选地，

31、步骤i)中，所述溶剂为六氟异丙醇、n,n-二甲基甲酰胺、n,n-二甲基乙酰胺；

32、和/或，步骤i)中，所述pcl的浓度为7.4wt％，peg的浓度为7.4wt％；

33、和/或，步骤ii)中，所述溶剂为乙醇；

34、和/或，步骤ii)中，所述溴麝香草酚蓝溶液的浓度为12mg/ml；

35、和/或，步骤iii)中，所述步骤ii)的溴麝香草酚蓝溶液和步骤i)的混合纺丝液的体积质量比为1ml：20g。

36、进一步地，所述纤维膜的下层膜的纺丝方法为静电纺丝；

37、所述静电纺丝参数为：正电压：10-15kv，负电压：0.5-1kv，针尖与集电极之间的工作距离为8-15cm，挤出速度为0.5-1.5ml/h，纺丝时间为1.5-3h；

38、优选地，所述静电纺丝参数为：正电压14kv，负电压0.5kv，针尖与集电极的工作距离为10cm，挤出速度为1.0ml/h，纺丝时间为2h。

39、进一步地，所述纤维膜的上层膜的纺丝方法为静电纺丝；

40、所述静电纺丝参数为：正电压：10-15kv，负电压：0.5-1kv，针尖与集电极之间的工作距离为8-15cm，挤出速度为0.5-1.5ml/h，纺丝时间为3-6h；

41、优选地，所述静电纺丝参数为：正电压14kv，负电压0.5kv，针尖与集电极的工作距离为10cm，挤出速度为1.0ml/h，纺丝时间为4h。

42、本发明还提供了前述的功能纤维膜的制备方法，它包括如下步骤：

43、(a)将tcs@zif-8纳米粒子和聚ε-己内酯为原料配制成纺丝液后，通过纺丝得到纤维膜的下层膜；

44、(b)将聚ε-己内酯、聚乙二醇和溴麝香草酚蓝为原料配制成纺丝液后，在下层膜上纺丝，得到双层纤维膜，即为功能纤维膜。

45、本发明还提供了前述的功能纤维膜在制备可视化监测细菌和/或抗菌的材料和/或设备中的用途；

46、优选地，所述细菌为大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和/或白色念珠菌。

47、本发明制备了一种可视化监测细菌及响应抗菌一体化的功能纤维膜，该膜为静电纺丝膜(ppbt)，其利用细菌代谢导致微环境的酸性，一方面使得ppbt上的溴百里酚蓝(btb)在酸性环境下颜色出现从绿色变成黄色的现象；另一方面，ppbt上膜负载的tcs@zif-8纳米粒子酸性条件下崩解释放出tcs，同时在光催化条件下产生ros实现协同抗菌的效果。

48、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

49、本发明提供了一种可视化监测细菌及响应抗菌一体化的静电纺丝膜，该膜不仅能够通过颜色变化对细菌进行肉眼实时监测，检测时间短(2～4小时)，检测灵敏度高(检测限为104cfu/ml)，可以满足临床诊断需求；并且，该膜具有优异的抗菌效果，并且在光催化下可以实现协同抗菌作用。本发明静电纺丝膜制备工艺简单、操作方便且便于携带，为制备细菌监测及抗菌为一体的抗菌材料提供了一种可行的方案，具有良好的应用前景。

50、显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。

51、以下是通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。