CN101463139A

CN101463139A - 一种具有抗蛋白吸附和抗菌功能的聚氨酯材料

Info

Publication number: CN101463139A
Application number: CNA2009100604890A
Authority: CN
Inventors: 王艺峰; 徐伟; 陈红; 金华芳; 袁琳
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2009-01-12
Filing date: 2009-01-12
Publication date: 2009-06-24

Abstract

本发明是一种具有抗蛋白吸附和抗菌功能的聚氨酯材料，其由修饰层和基层组成，基层由普通商用聚氨酯材料构成，修饰层是在该基层的表面通过化学修饰方法而形成，修饰层中含有与聚氨酯基层材料通过共价健链接的真菌茯苓多糖羧甲基化衍生物CP。该材料的制备步骤包括：真菌茯苓多糖羧甲基化衍生物CP的制备，用MDI对PU材料表面进行官能化，PU材料表面接枝氨基，真菌茯苓多糖羧甲基化衍生物CP在PU材料表面的接枝。本材料具有较好的亲水性和抗蛋白吸附功能，同时具有抑制绿脓杆菌的抗菌功能，因此具有作为植入人体的人造器官与器件的生物医用材料的用途。该材料的制备方法简单，易于控制，成本较低廉。

Description

一种具有抗蛋白吸附和抗菌功能的聚氨酯材料

技术领域

本发明涉及生物医用材料和高分子化学领域，特别是涉及一种具有抗蛋白吸附和抗菌功能的聚氨酯材料及其制备和用途。

背景技术

聚氨酯(PU)材料在制造植入人体的各种器件如人工心脏瓣膜、人工透析膜、人工血管等医用高分子材料领域有巨大的应用价值。然而，普通聚氨酯材料的生物性能仍不能令人满意，从而制约了其临床应用。医用高分子材料的表面是影响其生物相容性的关键因素之一，对材料的表面修饰和设计也是改变材料生物相容性的重要手段。细胞膜表面上多糖-蛋白质复合物结构是细胞间特异性相互作用的重要结构，其紧密排列的高亲水性糖链能通过熵排斥作用而有效阻抗细胞表面的非特异性作用；而细胞表面糖蛋白给-受体间则通过基于特定三维结构的静电吸引力抵消熵排斥作用达到特异性识别和粘附[高等学校化学学报，2006，27(5)，951～955.]。研究表明一些多糖类大分子本身所具有的高亲水性、柔顺性等特点，使它们能够有效阻抗材料表面对蛋白质的非特异性吸附[Biomaterials，2000，21，2253-2261.]。还有研究者将葡聚糖Dextran的羧甲基衍生物固定在聚合物材料的表面，制备出具有抗蛋白质吸附和细胞粘附能力的“抗污染”(Anti-fouling)表面[Colloids and Surfaces B：Biointerfaces，2000，18，221-234][Langmuir，2002，18，2483～2494.]。

此外，生物材料和人工装置的应用日益广泛，但是使用过程中引发的细菌性感染导致诸多严重后果，会引起反复感染和组织坏死等不良反应，不容忽视。如果生物材料表面具有抑制细菌黏附和生长的生物活性，就能对植入材料引起的术后感染及炎症反应起到有效控制和治疗作用。值得一提的是，在为数众多的生物多糖中，一些来源于真菌的多糖及其衍生物表现出十分显著的抗菌、抗肿瘤、免疫调节、抗病毒等多方面的生物活性[Appl.Microbiol.Biotechnol.，2002，60，258-274.]。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有抗蛋白吸附和抗菌功能的聚氨酯材料，该材料具有较好的亲水性和阻抗蛋白质的非特异性吸附功能，并且具有一定的抑制细菌生长抗菌功能，因此可作为植入人体的人造器官与器件的生物医用高分子材料，在医用材料领域具有广泛的用途；同时，该材料的制备方法较简单，易于控制，成本较低廉。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的一种具有抗蛋白吸附和抗菌功能的聚氨酯材料，由修饰层和基层组成，基层由普通商用聚氨酯材料构成，修饰层是在该基层的表面通过化学修饰方法而形成。其中，修饰层中含有与聚氨酯基底材料通过共价健链接的CP，使其表面具有抗蛋白吸附和抗菌的功能，CP为真菌茯苓多糖羧甲基化衍生物。

本发明提供的上述具有抗蛋白吸附和抗菌功能的聚氨酯材料，其制备方法是：先通过化学修饰方法制备CP，再通过表面化学接枝方法使基层表面带有反应活性基团氨基，再利用氨基与CP上羧基之间的反应，通过共价健将CP链接在聚氨酯材料表面，使其兼有抗蛋白吸附和抗菌功能，从而构成修饰层；基层采用普通商用聚氨酯材料，其和修饰层构成所述的具有抗蛋白吸附和抗菌功能的聚氨酯材料。

本发明基于现有技术研究，使用在聚氨酯基材上逐步进行表面修饰的化学方法：首先使聚氨酯基材带有具有反应活性的官能团氨基，然后利用PU表面的氨基接枝真菌茯苓多糖羧甲基化衍生物CP。用真菌茯苓多糖羧甲基化衍生物CP修饰的聚氨酯基层材料，是通过共价键的方式将CP固定在聚氨酯材料表面。由于CP的主链具有高亲水性、柔顺性等特点，因而有利于阻抗蛋白质的非特异性吸附作用，此外，CP的主链结构中含大量的羧基，这些羧基在生理环境中带有负电荷，因而也有利于排斥蛋白质的非特异性吸附。因此，将CP固定在聚氨酯材料表面能够达到改善聚氨酯基层材料生物相容性的效果。同时，一些来源于真菌的多糖及其衍生物表现出十分显著的抗菌、抗肿瘤、免疫调节、抗病毒等多方面的生物活性。因此，用CP修饰的聚氨酯基层材料，可以利用真菌多糖衍生物所具有的生物活性，有效改善聚氨酯材料表面的生物性能，赋予被修饰PU材料特殊的生物活性如抗菌功能。

本发明具有抗蛋白吸附和抗菌功能的聚氨酯材料能够在医疗领域，特别是作为植入人体的人造器官与器件的生物医用材料，具有广泛的用途；同时，该材料的制备方法较简单，易于控制，成本较低廉。

附图说明

图1是未经表面修饰的PU材料、表面接枝了CP的PU材料(CP/PU)的表面静态水接触角。

图2是未经表面修饰的PU材料(PU)、表面接枝了CP的PU材料(CP/PU)在1mg/mL纤维蛋白原(或人血清白蛋白)缓冲溶液中的吸附图谱。

图3是空白对照组、质量百分比为0.5％的CP溶液、未经表面修饰的PU材料(PU)、表面接枝了CP的PU材料(CP/PU)对绿脓杆菌的抑制效果。

具体实施方式

本发明是一种具有抗蛋白吸附和抗菌功能的聚氨酯材料，其由修饰层和基层组成，其通过化学修饰方法获得。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

一.一种具有抗蛋白吸附和抗菌功能的聚氨酯材料

该材料由修饰层和基层组成。基层由普通商用聚氨酯材料构成，修饰层是在该基层的表面通过化学修饰方法而形成，修饰层中含有与聚氨酯基底材料通过共价健链接的真菌茯苓多糖羧甲基化衍生物CP，使其表面具有抗蛋白吸附和抗菌的功能。

二.一种具有抗蛋白吸附和抗菌功能的聚氨酯材料的制备方法

1.制备：先通过化学改性方法制备真菌茯苓多糖羧甲基化衍生物CP，再通过表面化学接枝方法将聚氨酯材料与4，4′-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)反应使基层的表面带有异氰酸根基团，然后利用异氰酸根与乙二氨之间的反应使PU的表面带有反应活性基团氨基，最后利用氨基与CP上羧基之间的反应，通过共价健将CP链接在聚氨酯材料表面，从而构成修饰层；基层采用普通商用聚氨酯材料，其和修饰层构成所述的具有抗蛋白吸附和抗菌功能的聚氨酯材料。制备步骤包括：真菌茯苓多糖羧甲基化衍生物CP的制备，用MDI对PU材料表面进行官能化，PU材料表面接枝氨基，真菌茯苓多糖羧甲基化衍生物CP在PU材料表面的接枝。

上述化学修饰方法的具体步骤包括：

(1)CP的制备：

在冰浴上，先将0.6～1.2g茯苓菌核多糖分散于10～20mL质量百分比为20％NaOH与25～50mL异丙醇组成的混合液I中，搅拌3～4h后形成均匀悬浮液反应体系。再将5.25～10.50g氯乙酸溶于25～50mL异丙醇中，并与另外10～20mL质量比为20％NaOH相混合构成混合液II。先将上述混合液II的一半缓慢滴加入反应体系中，在室温下搅拌反应3～4h，再将反应液升温至60～65℃条件下继续搅拌30～40min。然后缓慢滴加入另一半混合液II，在60～65℃条件下继续反应40～60min。停止反应后冷却至室温，然后用0.3～0.5M HCl调节反应液pH值至6。上述反应液分别经过流水透析3～4天，蒸馏水透析3～4天，再旋转蒸发浓缩，最后经冷冻干燥得白色粉末状茯苓菌核多糖羧甲基化衍生物CP。

(2)用MDI对PU材料表面进行官能化：

首先将甲苯和甲醇纯化好的粒状商用聚氨酯材料溶于挥发性有机溶剂DMF中，倒入平底模具内，待溶剂挥发后再进行真空干燥处理得到PU膜，将PU膜切成直径为10mm厚为0.5mm的小片，放入质量百分比为3～7.5％MDI的甲苯溶液中搅拌并加热至40～50℃后，通入N₂保护，然后将TEA按照质量百分比M_TEA/M_Toluene＝1～2.5％加入反应体系，混合均匀后进行反应，反应100～120min结束后，再用干燥的甲苯洗涤PU膜4～6次，MDI为4，4-二苯基甲烷二异氰酸酯，DMF是N，N-二甲基甲酰胺，PU是聚氨酯，TEA是三乙胺，Toluene是甲苯。

(3)PU材料表面接枝氨基：

将上述官能化的PU膜放入质量百分比为2％的乙二氨的甲苯溶液中，常温条件下搅拌反应30～40min，得到表面含有氨基活性反应基团的PU膜，取出后用蒸馏水洗涤4～6次。

(4)CP在PU材料表面的接枝：

将CP溶解配成质量百分比为1％的水溶液，然后加入EDC，调节pH到4～5，反应0.5h。然后将多糖溶液的pH值调到7，加入上述表面含有氨基活性反应基团的PU膜，常温下搅拌反应20～24h。反应完毕后，将PU膜取出用蒸馏水清洗4～6次，然后在50～60℃的条件下真空干燥40～48h，EDC为1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳化二亚胺。

通过上述步骤，得到一种具有抗蛋白吸附和抗菌功能的聚氨酯材料。

表面修饰前后的聚氨酯材料的表面静态水接触角见附图1。用本方法得到的材料，表面接枝了CP的PU材料水接触角是53.3°，而未经表面修饰的PU的水接触角是66.8°，说明用CP对PU材料进行表面修饰后，材料表面的亲水性增加。表面修饰前后的聚氨酯材料对纤维蛋白原和白蛋白的吸附图谱见附图2。未经过表面修饰的PU材料对纤维蛋白原和白蛋白吸附量分别为0.94μg/cm²和0.21μg/cm²，而经过CP表面修饰的PU材料对纤维蛋白原和白蛋白吸附量分别为0.46μg/cm²和0.16μg/cm²，相比而言吸附量分别下降了51％和24％，因此可以发现表面接枝了CP的PU具有较好的抗蛋白吸附的能力。空白对照组、质量百分比为0.5％的CP溶液、未经表面修饰的PU材料、表面接枝了CP的PU材料对绿脓杆菌的抑制效果见附图3。浓度为0.5％的CP溶液与绿脓杆菌培养24h以后，绿脓杆菌的浓度降到1.08×10⁸CFU/ml，与对照组绿脓杆菌的浓度2.08×10⁸CFU/ml相比降低了48％，这说明CP具有良好的抗绿脓杆菌的活性；未经表面修饰的PU样品中的绿脓杆菌浓度为1.14×10⁸ CFU/ml，而表面接枝了CP的PU材料样品的绿脓杆菌浓度为0.71×10⁸CFU/ml，相比而言对绿脓杆菌抑制率为38％，这说明用真菌茯苓多糖羧甲基化衍生物CP修饰的聚氨酯基层材料具有了抗菌功能。

下面结合具体实施例对本发明制备方法作进一步说明，但不限定本发明。

2.具体实例：

实施例1

在冰浴上，先将0.6g茯苓菌核多糖分散于10mL质量百分比为20％NaOH与25mL异丙醇组成的混合液I中，搅拌3h后形成均匀悬浮液反应体系。再将5.25g氯乙酸溶于25mL异丙醇中，并与另外10mL质量比为20％NaOH相混合构成混合液II。先将上述混合液II的一半缓慢滴加入反应体系中，在室温下搅拌反应3h，再将反应液升温至60℃条件下继续搅拌40min。然后缓慢滴加入另一半混合液II，在60℃条件下继续反应60min。停止反应后冷却至室温，然后用0.5M HCl调节反应液pH值至6。上述反应液分别经过流水透析3天，蒸馏水透析3天，再旋转蒸发浓缩，最后经冷冻干燥得白色粉末状茯苓菌核多糖羧甲基化衍生物CP。

将甲苯和甲醇纯化好的粒状商用聚氨酯材料(上海鹏博盛聚氨酯有限公司产品)溶于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，倒入平底模具内，待溶剂挥发后再进行真空干燥处理得到PU膜，将PU膜切成直径为10mm厚为0.5mm的小片，放入质量百分比为7.5％MDI的甲苯溶液中搅拌并加热至50℃后，通入N₂保护，然后将三乙胺按照质量百分比M_TEA/M_Toluene＝2.5％加入反应体系，混合均匀后进行反应，反应100min结束后，再用干燥的甲苯洗涤PU膜5次。再将上述官能化的PU膜放入质量百分比为2％的乙二氨的甲苯溶液中，常温条件下搅拌反应30min，得到表面含有氨基活性反应基团的PU膜，取出后用蒸馏水洗涤5次。将CP溶解配成质量百分比为1％的水溶液，然后加入EDC，调节pH到4，反应0.5h。然后将多糖溶液的pH值调到7，加入上述表面含有氨基活性反应基团的PU膜，常温下搅拌反应24h。反应完毕后，将PU膜取出用蒸馏水清洗6次，然后在50℃的条件下真空干燥48h，即可制备得到上述具有抗蛋白吸附和抗菌功能的聚氨酯材料。

实施例2

在冰浴上，先将1.2g茯苓菌核多糖分散于20mL质量百分比为20％NaOH与50mL异丙醇组成的混合液I中，搅拌4h后形成均匀悬浮液反应体系。再将10.50g氯乙酸溶于50mL异丙醇中，并与另外20mL质量比为20％NaOH相混合构成混合液II。先将上述混合液II的一半缓慢滴加入反应体系中，在室温下搅拌反应3h，再将反应液升温至65℃条件下继续搅拌30min。然后缓慢滴加入另一半混合液II，在65℃条件下继续反应40min。停止反应后冷却至室温，然后用0.3M HCl调节反应液pH值至6。上述反应液分别经过流水透析4天，蒸馏水透析3天，再旋转蒸发浓缩，最后经冷冻干燥得白色粉末状茯苓菌核多糖羧甲基化衍生物CP。

将甲苯和甲醇纯化好的粒状商用聚氨酯材料(上海鹏博盛聚氨酯有限公司产品)溶于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，倒入平底模具内，待溶剂挥发后再进行真空干燥处理得到PU膜，将PU膜切成直径为10mm厚为0.5mm的小片，放入质量百分比为6％MDI的甲苯溶液中搅拌并加热至50℃后，通入N₂保护，然后将三乙胺按照质量百分比M_TEA/M_Toluene＝2％加入反应体系，混合均匀后进行反应，反应120min结束后，再用干燥的甲苯洗涤PU膜6次。再将上述官能化的PU膜放入质量百分比为2％的乙二氨的甲苯溶液中，常温条件下搅拌反应40min，得到表面含有氨基活性反应基团的PU膜，取出后用蒸馏水洗涤6次。将CP溶解配成质量百分比为1％的水溶液，然后加入EDC，调节pH到4.5，反应0.5h。然后将多糖溶液的pH值调到7，加入上述表面含有氨基活性反应基团的PU膜，常温下搅拌反应22h。反应完毕后，将PU膜取出用蒸馏水清洗4次，然后在60℃的条件下真空干燥40h，即可制备得到上述具有抗蛋白吸附和抗菌功能的聚氨酯材料。

实施例3

在冰浴上，先将0.6g茯苓菌核多糖分散于10mL质量百分比为20％ NaOH与25mL异丙醇组成的混合液I中，搅拌3.5h后形成均匀悬浮液反应体系。再将5.25g氯乙酸溶于25mL异丙醇中，并与另外10mL质量比为20％NaOH相混合构成混合液II。先将上述混合液II的一半缓慢滴加入反应体系中，在室温下搅拌反应3h，再将反应液升温至60℃条件下继续搅拌40min。然后缓慢滴加入另一半混合液II，在60℃条件下继续反应60min。停止反应后冷却至室温，然后用0.4M HCl调节反应液pH值至6。上述反应液分别经过流水透析4天，蒸馏水透析4天，再旋转蒸发浓缩，最后经冷冻干燥得白色粉末状茯苓菌核多糖羧甲基化衍生物CP。

将甲苯和甲醇纯化好的粒状商用聚氨酯材料(上海鹏博盛聚氨酯有限公司产品)溶于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，倒入平底模具内，待溶剂挥发后再进行真空干燥处理得到PU膜，将PU膜切成直径为10mm厚为0.5mm的小片，放入质量百分比为7.5％MDI的甲苯溶液中搅拌并加热至40℃后，通入N₂保护，然后将三乙胺按照质量百分比M_TEA/M_Toluene＝2.5％加入反应体系，混合均匀后进行反应，反应100min结束后，再用干燥的甲苯洗涤PU膜5次。再将上述官能化的PU膜放入质量百分比为2％的乙二氨的甲苯溶液中，常温条件下搅拌反应35min，得到表面含有氨基活性反应基团的PU膜，取出后用蒸馏水洗涤5次。将CP溶解配成质量百分比为1％的水溶液，然后加入EDC，调节pH到4.5，反应0.5h。然后将多糖溶液的pH值调到7，加入上述表面含有氨基活性反应基团的PU膜，常温下搅拌反应24h。反应完毕后，将PU膜取出用蒸馏水清洗5次，然后在60℃的条件下真空干燥45h，即可制备得到上述具有抗蛋白吸附和抗菌功能的聚氨酯材料。

三.一种具有抗蛋白吸附和抗菌功能的聚氨酯材料的用途

所述聚氨酯材料作为植入人体的人造器官与器件的生物医用材料，具有广泛的用途。

Claims

1.一种具有抗蛋白吸附和抗菌功能的聚氨酯材料，由修饰层和基层组成，基层由普通商用聚氨酯材料构成，修饰层是在该基层的表面通过化学修饰方法而形成，其特征在于修饰层中含有与聚氨酯基底材料通过共价健链接的CP，使其表面具有抗蛋白吸附和抗菌的功能，CP为真菌茯苓多糖羧甲基化衍生物。

2.根据权利要求1所述的具有抗蛋白吸附和抗菌功能的聚氨酯材料，其特征在于所述的聚氨酯材料，其表面静态水接触角为53.3°；其表面具有抗纤维蛋白原吸附的功能，对纤维蛋白原吸附量下降了51％；其表面具有同时具有抑制绿脓杆菌的作用，抑菌率达到了38％。

3.一种制备如权利要求1或2所述的具有抗蛋白吸附和抗菌功能的聚氨酯材料的方法，其特征是先通过化学修饰方法制备CP，再通过表面化学接枝方法使基层表面带有反应活性基团氨基，再利用氨基与CP上羧基之间的反应，通过共价健将CP链接在聚氨酯材料表面，使其兼有抗蛋白吸附和抗菌功能，从而构成修饰层；基层采用普通商用聚氨酯材料，其和修饰层构成所述的具有抗蛋白吸附和抗菌功能的聚氨酯材料；

上述化学修饰方法的具体步骤包括：

(1)CP的制备：

在冰浴上，先将0.6～1.2g茯苓菌核多糖分散于10～20mL质量百分比为20％NaOH与25～50mL异丙醇组成的混合液I中，搅拌3～4h后形成均匀悬浮液反应体系；再将5.25～10.50g氯乙酸溶于25～50mL异丙醇中，并与另外10～20mL质量百分比为20％NaOH相混合构成混合液II；然后，将混合液II的一半缓慢滴加入反应体系中，在室温下搅拌反应，再将反应液升温至60～65℃条件下继续搅拌反应，然后缓慢滴加入另一半混合液II，在60～65℃条件下继续反应；停止反应后冷却至室温，再用0.3～0.5M HCl调节反应液pH值至6，

上述反应液分别经过流水透析3～4天，蒸馏水透析3～4天，再旋转蒸发浓缩，最后经冷冻干燥得白色粉末状真菌茯苓多糖羧甲基化衍生物CP；

(2)用MDI对PU材料表面进行官能化：

首先将甲苯和甲醇纯化好的粒状商用聚氨酯材料溶于挥发性有机溶剂DMF中，倒入平底模具内，待溶剂挥发后再进行真空干燥处理得到PU膜，将PU膜切成直径为10mm厚为0.5mm的小片，放入质量百分比为3～7.5％ MDI的甲苯溶液中，搅拌并加热至40～50℃后，通入N₂保护，然后将TEA按照质量百分比M_TEA/M_Toluene＝1～2.5％加入反应体系，混合均匀后进行反应，反应结束后，再用干燥的甲苯洗涤PU膜，

MDI为4，4′-二苯基甲烷二异氰酸酯，DMF是N，N-二甲基甲酰胺，PU是聚氨酯，TEA是三乙胺，Toluene是甲苯；

(3)PU材料表面接枝氨基：

将上述官能化的PU膜放入质量百分比为2％的乙二氨的甲苯溶液中，常温条件下搅拌反应30～40min，得到表面含有氨基活性反应基团的PU膜，取出后用蒸馏水洗涤；

(4)CP在PU材料表面的接枝：

将CP溶解配成质量百分比为1％的水溶液，然后加入EDC，调节pH到4～5，反应0.5h；然后将多糖溶液的pH值调到7，加入上述表面含有氨基活性反应基团的PU膜后，常温下搅拌反应；反应完毕后，将PU膜取出用蒸馏水清洗4～6次，然后在50～60℃的条件下真空干燥40～48h，得到上述的一种具有抗蛋白吸附和抗菌功能的聚氨酯材料，EDC为1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳化二亚胺。

4.根据权利要求3所述的具有抗蛋白吸附和抗菌功能的聚氨酯材料，其特征在于：步骤(1)中，将上述混合液II的一半缓慢滴加入反应体系中，在室温下搅拌反应3～4h，再将反应液升温至60～65℃条件下继续搅拌反应30～40min，然后缓慢滴加入另一半混合液II，在60～65℃条件下继续反应40～60min。

5.根据权利要求3所述的具有抗蛋白吸附和抗菌功能的聚氨酯材料，其特征在于：步骤(2)中，将三乙胺加入反应体系中反应100～120min后，再用干燥的甲苯洗涤PU膜4～6次。

6.根据权利要求3所述的具有抗蛋白吸附和抗菌功能的聚氨酯材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，将表面含有氨基活性反应基团的PU膜取出后用蒸馏水洗涤4～6次。

7.根据权利要求3所述的具有抗蛋白吸附和抗菌功能的聚氨酯材料，其特征在于：步骤(4)中，加入上述表面含有氨基活性反应基团的PU膜后，常温下搅拌反应20～24h。

8.一种将权利要求1或2所述的具有抗蛋白吸附和抗菌功能的聚氨酯材料，在作为植入人体的人造器官与器件的生物医用材料中的用途。