本发明涉及抗菌材料领域。更具体地，涉及一种可降解抗菌聚氨基酸及其制备方法。
背景技术：
随着人们生活水平的提高，无论是在日常生活中，还是在医疗保健中，人们对抗菌材料的需求逐渐增加。同时在对人类健康、环境保护和生态文明意识日益增强的背景下，抗菌材料的发展不再只是考虑抗菌性能，也要考虑材料对环境的友好性以及人体的安全性要求。目前，抗菌材料大体分为抗菌涂层和本体添加抗菌材料。抗菌涂层通过抑制细菌在材料表面的初始黏附进而抑制菌斑生物膜的形成，但伴有涂层脱落、难以降解、有毒副作用等固有的局限。本体添加抗菌材料通过添加抗菌剂使其具有抗菌性能，但存在材料性能下降、抗菌剂易析出、抗菌长效性差等缺陷。因此，材料本身具有一定的抗菌性能，同时兼顾良好的生物相容性和降解性能，成为抗菌材料的关键。
聚氨基酸类材料因其类似蛋白质的结构，具备良好的生物相容性、生物降解性等优点，已广泛应用于药物控释、组织工程、基因治疗等生物医疗领域。目前，以微生物发酵制备的聚氨基酸有γ-聚谷氨酸和ε-聚赖氨酸，虽然量大无污染，但产物分子量过大、分布过宽、不易纯化；以化学合成法制备的聚氨基酸有聚天冬氨酸、聚谷氨酸等均聚氨基酸。
因此，为扩大聚氨基酸的应用范围，赋予其新的优点或特性，可通过引入两种不同性能(疏水性、亲水性)氨基酸单体的种类、比例和含量来控制聚氨基酸的性能，以便设计制备具有抗菌性能、良好生物相容性和降解性能等兼备多功能性材料。
技术实现要素：
本发明的一个目的在于提供一种可降解抗菌聚氨基酸，该聚氨基酸自身本身具有一定的抗菌性能，同时兼顾良好的生物相容性和降解性能。
本发明的另一个目的在于提供一种制备上述可降解抗菌聚氨基酸的方法。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种可降解抗菌聚氨基酸，所述聚氨基酸具有如下结构：
简写为[(A)m-(B)n]z；
其中，
m和n分别为组分聚氨基酸重复单元A和B的重复单元数；
z为(A)m-(B)n的重复单元数；
m、n、z均为正整数，m＝10-10000，n＝0-1000，z＝1-10。
进一步，所述氨基酸A为分子结构含有两个或两个以上氨基的α氨基酸，包括而不限于赖氨酸、组氨酸、鸟氨酸等。因其含有自由的氨基，带正电荷，其作用是调节聚氨基酸材料性能的抗菌性能；
所述氨基酸B为疏水性α氨基酸或亲水性α氨基酸，包括而不限于丙氨酸、缬氨酸、丝氨酸、苏氨酸、天冬氨酸、谷氨酸等。其作用在于调节聚氨基酸材料的亲水性能和降解性能。
一种可降解抗菌聚氨基酸的制备方法，包括：
(1)聚合反应：将引发剂、带有保护基的氨基酸A-N-内羧酸酐或氨基酸A-N-内羧酸酐依次溶于有机溶剂X中，在氮气保护下进行氨基酸A的聚合反应，然后加入氨基酸B-N-内羧酸酐，进行氨基酸B的聚合反应，反应结束后，将溶液减压浓缩除去溶剂，将浓缩后的溶液在乙醚中沉淀，烘干得到带有保护基的聚氨基酸或聚氨基酸；
(2)脱保护基反应：将带有保护基的聚氨基酸用有机溶剂Y溶解，在氮气保护和避光条件下加入脱保护剂，进行反应，产物乙醚沉降，过滤，洗涤，干燥，即得。
进一步，所述有机溶剂X为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、二氧六环、二甲基亚枫、四氢呋喃中一种或两种以上的混合物；优选地，所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。
进一步，所述引发剂为伯胺、仲胺中任意一种；其中，所述伯胺为三乙胺、正丁胺、正己胺、十二胺、十四胺、十六胺、十八胺、炔丙胺、3-氨丙基三乙氧基硅烷、N-(2-氨乙基)-3-氨丙基三乙氧基硅烷中任意一种；所述仲胺为1,1,1-三甲基-N-2-丙烯丙胺基硅烷、六甲基二硅胺中任意一种。
进一步，所述带有保护基的氨基酸A-N-内羧酸酐或氨基酸A-N-内羧酸酐与所述引发剂的摩尔比为10-10000:1；所述氨基酸B-N-内羧酸酐与所述引发剂的摩尔比为10-1000:1。
进一步，所述带有保护基的氨基酸A-N-内羧酸酐包括但不限于N6-苄氧羰基-L-赖氨酸-N-内羧酸酐、N6-叔丁氧羰基-L-赖氨酸-N-内羧酸酐、N'-苄氧羰基-L-鸟氨酸-N-内羧酸酐、N'-(2-氯苄氧羰基)-L-鸟氨酸-N-内羧酸酐，所述氨基酸A-N-内羧酸酐包括但不限于组氨酸-N-内羧酸酐；所述氨基酸B-N-内羧酸酐包括但不限于丙氨酸N-内羧酸酐、缬氨酸N-内羧酸酐、丝氨酸N-内羧酸酐、苏氨酸N-内羧酸酐、天冬氨酸N-内羧酸酐、谷氨酸N-内羧酸酐。
需要注意的是，赖氨酸与鸟氨酸含有两个-NH2，为了使α位的-NH2参与反应，另一个位置的-NH2需要提前被保护，形成带有保护基的氨基酸A-N-内羧酸酐；组氨酸的结构中含有一个-NH2和一个-NH-，-NH2比-NH-活泼，先参与反应，因此在利用组氨酸制备可降解抗菌聚氨基酸不用额外引入保护基团，即不用进行脱保护基反应。
进一步，步骤(1)中，所述氨基酸A的聚合反应温度为10-100℃，反应的时间为12-72h；所述氨基酸B的聚合反应温度为10-100℃，反应的时间为12-48h。
本发明聚合反应时间过短导致氨基酸-N-内羧酸酐反应不完全，得到的聚氨基酸的聚合度较低；反应时间过长，使得聚氨基酸聚合度和多分散指数过高，导致其稳定性和纯度降低。
进一步，步骤(2)中，所述有机溶剂Y为二氯甲烷或三氟乙酸；
当有机溶剂Y为二氯甲烷，所述脱保护剂可以为三甲基碘硅烷、三甲基氯硅烷或三甲基溴硅烷，所述反应的温度为20-40℃，反应时间为12-36h，优选的，所述反应的温度为35℃，反应时间为20h；
当有机溶剂Y为三氟乙酸，所述脱保护剂可以为33％溴化氢/冰醋酸混合溶液；所述反应的温度为20-40℃，反应时间为1-3h，优选的，所述反应的温度为35℃，反应时间为2h。
进一步，所述干燥为冷冻干燥或20-40℃下真空干燥18-36h；优选的，在25℃下真空干燥24h。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明聚氨基酸具有良好的生物相容性和抗菌性能，且在体内能够自行降解成氨基酸单体，无毒副作用。
(2)本发明通过改变氨基酸种类、氨基酸比例以及引发剂含量等因素，制备了具有抗菌性能、良好生物相容性和降解性能等兼备多功能性材料。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1一种可降解抗菌聚氨基酸的制备方法
(1)聚合反应：分别将0.01moL N6-苄氧羰基-L-赖氨酸-N-内羧酸酐、0.001moL引发剂六甲基二硅胺按摩尔比为10:1的依次溶于20mL无水N,N-二甲基甲酰胺中，10℃在氮气保护下，反应12h。反应结束后，将溶液减压蒸馏除去溶剂，随后将浓缩后的溶液在乙醚中沉淀，真空烘干得到带有保护基的聚氨基酸。
(2)脱保护基反应：将带有保护基的聚氨基酸用5mL三氟乙酸溶解，然后在搅拌子搅拌下加入5mL溴化氢质量含量为33％的溴化氢/冰醋酸混合溶液，在20℃下反应1h，产物用乙醚沉降，过滤，洗涤，冷冻干燥18h，得到脱保护的聚氨基酸。
本实施例制得的聚氨基酸数均分子量为5210，重量浓度为5％的聚氨基酸材料对生理盐水溶液中1.0×105cfu/mL浓度的大肠杆菌作用24小时后，细菌浓度减少50％以上；对小鼠成纤维细胞L929无毒性。
实施例2一种可降解抗菌聚氨基酸的制备方法
(1)聚合反应：分别将0.01moL N'-苄氧羰基-L-鸟氨酸-N-内羧酸酐、0.01mmoL引发剂正丁胺按摩尔比为1000:1的依次溶于20mL无水N,N-二甲基乙酰胺中，20℃在氮气保护下，反应36h。反应结束后，将溶液减压蒸馏除去溶剂，随后将浓缩后的溶液在乙醚中沉淀，真空烘干得到带有保护基的聚氨基酸。
(2)脱保护基反应：将带有保护基的聚氨基酸用20mL二氯甲烷溶解，在氮气氛围和避光条件下加入0.5mL三甲基碘硅烷，在30℃下反应21h，产物用石油醚沉降，过滤，用无水乙醚和大量的去离子水洗涤，冷冻干燥36h，得到脱保护的聚氨基酸。
本实施例制得的聚氨基酸数均分子量为81832，重量浓度为3％的聚氨基酸材料对生理盐水溶液中3.2×105cfu/mL浓度的大肠杆菌作用24小时后，细菌浓度减少50％以上；对小鼠成纤维细胞L929无毒性。
实施例3一种可降解抗菌聚氨基酸的制备方法
聚合反应：分别将0.01moL组氨酸-N-内羧酸酐、0.001mmoL引发剂正己胺按摩尔比为10000:1的依次溶于20mL N,N-二甲基甲酰胺中，30℃在氮气保护下，反应72h；反应结束后，将溶液减压蒸馏除去溶剂，随后将浓缩后的溶液在乙醚中沉淀，真空烘干得到聚氨基酸。
本实施例制得的聚氨基酸数均分子量为154317，重量浓度为1％的聚氨基酸材料对生理盐水溶液中4.8×105cfu/mL浓度的金黄色葡萄球菌作用24小时后，细菌浓度减少50％以上；对小鼠成纤维细胞L929无毒性。
实施例4一种可降解抗菌聚氨基酸的制备方法
(1)聚合反应：将0.01moL N6-苄氧羰基-L-赖氨酸-N-内羧酸酐与1mmoL引发剂炔丙胺、按摩尔比为100:1溶于20mL V(无水N,N-二甲基甲酰胺)：V(四氢呋喃)＝4:1中，25℃在氮气保护下，反应24h，再加入1mmoL丙氨酸-N-内羧酸酐，反应48h。反应结束后，将溶液减压蒸馏除去溶剂，随后将浓缩后的溶液在乙醚中沉淀，真空烘干得到带有保护基的聚氨基酸。
(2)脱保护基反应：将带有保护基的聚氨基酸用5mL三氟乙酸溶解，然后在搅拌子搅拌下加入5mL 33％溴化氢/冰醋酸混合溶液，在35℃下反应2h，产物用乙醚沉降，过滤，洗涤，30℃下真空干燥24h，得到脱保护的聚氨基酸。
本实施例制得的聚氨基酸数均分子量为19819，重量浓度为4％的聚氨基酸材料对生理盐水溶液中1.9×105cfu/mL浓度的金黄色葡萄球菌作用24小时后，细菌浓度减少50％以上；对小鼠成纤维细胞L929无毒性。
实施例5一种可降解抗菌聚氨基酸的制备方法
(1)聚合反应：分别将0.01moL N'-苄氧羰基-L-鸟氨酸-N-内羧酸酐与0.01mmoL引发剂1,1,1-三甲基-N-2-丙烯丙胺基硅烷按摩尔比为1000:1溶于20mL无水N,N-二甲基甲酰胺中，30℃在氮气保护下，反应36h，再加入0.001moL缬氨酸-N-内羧酸酐，反应24h；之后先后交替加入0.01moL N6-(苄氧羰基)-L-赖氨酸-N-内羧酸酐和0.001moL缬氨酸-N-内羧酸酐4次。反应结束后，将溶液减压蒸馏除去溶剂，随后将浓缩后的溶液在乙醚中沉淀，真空烘干得到带有保护基的聚氨基酸。
(2)脱保护基反应：将带有保护基的聚氨基酸用5mL三氟乙酸溶解，然后在搅拌子搅拌下加入5mL 33％的溴化氢/冰醋酸混合溶液，在30℃下反应3h，产物用乙醚沉降，过滤，洗涤，40℃下真空干燥36h，得到脱保护的聚氨基酸。
本实施例制得的聚氨基酸数均分子量为60103，重量浓度为3％的聚氨基酸材料对生理盐水溶液中1.0×105cfu/mL浓度的大肠杆菌作用24小时后，细菌浓度减少50％以上；对小鼠成纤维细胞L929无毒性。
实施例6一种可降解抗菌聚氨基酸的制备方法
聚合反应：分别将0.01moL组氨酸-N-内羧酸酐、0.0001moL引发剂三乙胺按摩尔比为100:1的依次溶于50mL无水四氢呋喃中，35℃在氮气保护下，反应48h，再加入0.1moL缬氨酸-N-内羧酸酐，反应12h；之后先后交替加入0.01moL组氨酸-N-内羧酸酐和0.1moL缬氨酸-N-内羧酸酐9次。反应结束后，将溶液减压蒸馏除去溶剂，随后将浓缩后的溶液在乙醚中沉淀，真空烘干得到聚氨基酸。
本实施例制得的聚氨基酸数均分子量为61784，重量浓度为3％的聚氨基酸材料对生理盐水溶液中1.2×105cfu/mL浓度的金黄色葡萄球菌作用24小时后，细菌浓度减少50％以上；对小鼠成纤维细胞L929无毒性。
实施例7一种可降解抗菌聚氨基酸的制备方法
(1)聚合反应：分别将0.01moL N6-叔丁氧羰基-L-赖氨酸-N-内羧酸酐、0.001moL引发剂十二胺按摩尔比为10:1的依次溶于50mL无水四氢呋喃中，20℃在氮气保护下，反应24h。再加入0.01moL丝氨酸-N-内羧酸酐，反应12h，反应结束后，将溶液减压蒸馏除去溶剂，随后将浓缩后的溶液在乙醚中沉淀，真空烘干得到带有保护基的聚氨基酸。
(2)脱保护基反应：将带有保护基的聚氨基酸用20mL二氯甲烷溶解，在氮气氛围和避光条件下加入0.5mL三甲基碘硅烷，在20℃下反应12h，产物用石油醚沉降，过滤，用无水乙醚和大量的去离子水洗涤，25℃下真空干燥24h，得到脱保护的聚氨基酸。
本实施例制得的聚氨基酸数均分子量为91258，重量浓度为2％的聚氨基酸材料对生理盐水溶液中4.3×105cfu/mL浓度的金黄色葡萄球菌作用24小时后，细菌浓度减少50％以上；对小鼠成纤维细胞L929无毒性。
实施例8一种可降解抗菌聚氨基酸的制备方法
(1)聚合反应：分别将0.01moL N'-(2-氯苄氧羰基)-L-鸟氨酸-N-内羧酸酐、0.1mmoL引发剂十四胺按摩尔比为100:1的依次溶于50mL无水二甲基亚枫中，30℃在氮气保护下，反应36h，再加入0.05moL苏氨酸-N-内羧酸酐，反应48h。反应结束后，将溶液减压蒸馏除去溶剂，随后将浓缩后的溶液在乙醚中沉淀，真空烘干得到带有保护基的聚氨基酸。
(2)脱保护基反应：将带有保护基的聚氨基酸用20mL二氯甲烷溶解，在氮气氛围和避光条件下加入0.5mL三甲基氯硅烷，在30℃下反应24h，产物用石油醚沉降，过滤，用无水乙醚和大量的去离子水洗涤，冷冻干燥24h，得到脱保护的聚氨基酸。
本实施例制得的聚氨基酸数均分子量为114857，重量浓度为1％的聚氨基酸材料对生理盐水溶液中4.0×105cfu/mL浓度的金黄色葡萄球菌作用24小时后，细菌浓度减少50％以上；对小鼠成纤维细胞L929无毒性。
实施例9一种可降解抗菌聚氨基酸的制备方法
(1)聚合反应：分别将0.01moL N6-苄氧羰基-L-赖氨酸-N-内羧酸酐、0.02mmoL引发剂十六胺按摩尔比为500:1的依次溶于50mL无水二氧六环中，40℃在氮气保护下，反应60h，再加入0.02moL天冬氨酸-N-内羧酸酐，反应36h。反应结束后，将溶液减压蒸馏除去溶剂，随后将浓缩后的溶液在乙醚中沉淀，真空烘干得到带有保护基的聚氨基酸。
(2)脱保护基反应：将带有保护基的聚氨基酸用20mL二氯甲烷溶解，在氮气氛围和避光条件下加入0.5mL三甲基溴硅烷，在40℃下反应36h，产物用石油醚沉降，过滤，用无水乙醚和大量的去离子水洗涤，在30℃下真空干燥36h，得到脱保护的聚氨基酸。
本实施例制得的聚氨基酸数均分子量为12796，重量浓度为1％的聚氨基酸材料对生理盐水溶液中5.2×105cfu/mL浓度的金黄色葡萄球菌作用24小时后，细菌浓度减少50％以上；对小鼠成纤维细胞L929无毒性。
实施例10一种可降解抗菌聚氨基酸的制备方法
(1)聚合反应：分别将0.01moL N6-叔丁氧羰基-L-赖氨酸-N-内羧酸酐、0.01mmoL引发剂十八烷按摩尔比为1000:1的依次溶于20mL无水N,N-二甲基乙酰胺中，60℃在氮气保护下，反应48h，再加入0.01moL谷氨酸-N-内羧酸酐，反应24h。反应结束后，将溶液减压蒸馏除去溶剂，随后将浓缩后的溶液在乙醚中沉淀，真空烘干得到带有保护基的聚氨基酸。
(2)脱保护基反应：将带有保护基的聚氨基酸用5mL三氟乙酸溶解，然后在搅拌子搅拌下加入5mL 33％溴化氢/冰醋酸混合溶液，在20℃下反应1h，产物用乙醚沉降，过滤，洗涤，25℃下真空干燥24h，得到脱保护的聚氨基酸。
本实施例制得的聚氨基酸数均分子量为104983，重量浓度为1％的聚氨基酸材料对生理盐水溶液中3.1×105cfu/mL浓度的大肠杆菌作用24小时后，细菌浓度减少50％以上；对小鼠成纤维细胞L929无毒性。
实施例11一种可降解抗菌聚氨基酸的制备方法
(1)聚合反应：分别将0.01moL N'-苄氧羰基-鸟氨酸-N-内羧酸酐、0.002mmoL引发剂3-氨丙基三乙氧基硅烷按摩尔比为5000:1的依次溶于20mL无水N,N二甲基甲酰胺中，80℃在氮气保护下，反应48h，再加入0.2mmoL丙氨酸-N-内羧酸酐，反应24h。反应结束后，将溶液减压蒸馏除去溶剂，随后将浓缩后的溶液在乙醚中沉淀，真空烘干得到带有保护基的聚氨基酸。
(2)脱保护基反应：将带有保护基的聚氨基酸用5mL三氟乙酸溶解，然后在搅拌子搅拌下加入5mL 33％溴化氢/冰醋酸混合溶液，在30℃下反应2h，产物用乙醚沉降，过滤，洗涤，25℃下真空干燥24h，得到脱保护的聚氨基酸。
本实施例制得的聚氨基酸数均分子量为162980，重量浓度为1％的聚氨基酸材料对生理盐水溶液中7.0×105cfu/mL浓度的金黄色葡萄球菌作用24小时后，细菌浓度减少50％以上；对小鼠成纤维细胞L929无毒性。
实施例12一种可降解抗菌聚氨基酸的制备方法
聚合反应：分别将0.01moL组氨酸-N-内羧酸酐、0.001mmoL引发剂N-(2-氨-4-乙基)-3-氨丙基三乙氧基硅烷按摩尔比为10000:1的依次溶于20mL无水N,N-二甲基乙酰胺中，100℃在氮气保护下，反应72h，再加入0.001moL丝氨酸-N-内羧酸酐，反应48h。反应结束后，将溶液减压蒸馏除去溶剂，随后将浓缩后的溶液在乙醚中沉淀，真空烘干得到聚氨基酸。
本实施例制得的聚氨基酸数均分子量为198283，重量浓度为1％的聚氨基酸材料对生理盐水溶液中7.2×105cfu/mL浓度的金黄色葡萄球菌作用24小时后，细菌浓度减少50％以上；对小鼠成纤维细胞L929无毒性；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。