CN102671239A - 一种广谱长效抗菌壳聚糖纳米复合凝胶涂层制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种广谱长效抗菌壳聚糖纳米复合凝胶涂层制备方法。在pH值为4.0的醋酸缓冲溶液中依次加入硝酸银、聚乙烯吡咯烷酮和壳聚糖，搅拌2h，以旋涂、浸涂或喷涂的方式涂敷在基材表面上，经自然干燥处理12h和真空干燥处理12h，然后在90～180℃原位热还原0.5～6h，得到纳米银颗粒粒度为5～50nm的广谱长效抗菌壳聚糖纳米复合凝胶涂层。该涂层具有良好的广谱抗细菌黏附和杀菌的能力，并具有良好的细胞相容性。该方法工艺简单、快捷，条件温和，易于旋涂、浸涂、喷涂等可工业实的方式实现，适用范围广，能够有效地的改善医用装置表面的抗菌性能，生物相容性和润滑性。
Description
技术领域
本发明涉及一种广谱长效抗菌壳聚糖纳米复合凝胶涂层制备方法。
背景技术
细菌、真菌等病原微生物常常引发机体组织发生病变，严重威胁着人类的身心健康。据直接卫生组织（World Health Organization，WHO） 1998 年统计数字表明，1995年全世界死亡人口为5200万，其中因细菌感染造成的死亡人数约占33%，如今这一比例还在进一步提高。因此抗菌材料和制品的开发受到越来越多的关注。如今临床术后和医疗植入体抗感染的主要方式是使用抗生素，然而随着抗生素的大量使用，细菌的耐药性也大大提高，特别是一旦形成生物膜，细菌的抗药性将极大提高，需要几百甚至上千倍的抗生素杀死，处理效果并不理想。临床处理的方式往往是再次手术取出植入体，清洗或者更换新的植入体，这样的处理方式不但增加病人的痛苦，而且增加病人经济负担，因此寻求一种简单有效的长效抗菌涂层具有重要的意义。
通过对各种医用装置的表面修饰，在保持原有性能的条件下，改善生物医用装置生物相容性成为现代医疗装置应用中的重要问题。感染发生的一般过程是：细菌的黏附；定植和繁殖，形成菌落；分泌胞外基质，菌落通过胞外基质连接在一起，形成生物膜（biofilm），生物膜释放浮游菌体和毒素，引发感染。针对细菌感染的第一个步骤，制备一种亲水的凝胶涂层将增加涂层的溶胀能力和亲水性，能够实现涂层的抗细菌黏附性能。然而单纯的亲水涂层并不能实现长效抗菌的能力，也不能杀灭植入体周围的病菌。壳聚糖是一种天然的聚阳离子抗菌分子，并且具有良好的生物相容性和涂层形成能力，抗菌机理是接触式杀菌。纳米银是一种高效杀菌材料，相对分子状态的银能够实现可控和长期释放，以壳聚糖分子为模板，原位形成纳米银，并且由于氢键作用，壳聚糖和聚乙烯吡咯烷酮能够稳定的复合。聚合物共混技术具有简单、易于操作的特点，并且使膜层具有其组分的复合功能，通过对基材的预处理解决了涂层溶胀带来的稳定性问题，有望得到兼具抗细菌黏附和杀菌的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种广谱长效抗菌壳聚糖纳米复合凝胶涂层制备方法。
广谱长效抗菌壳聚糖纳米复合凝胶涂层制备方法：在pH值为4.0的醋酸缓冲溶液中依次加入硝酸银、聚乙烯吡咯烷酮和壳聚糖，搅拌2h，以旋涂、浸涂或喷涂的方式涂敷在基材表面上，经自然干燥处理12h和真空干燥处理12h，然后在90～180℃原位热还原0.5～6h，得到纳米银颗粒粒度为5～50nm的广谱长效抗菌壳聚糖纳米复合凝胶涂层，其中，壳聚糖质量浓度为5~20mg/ml，聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为1~20mg/ml，硝酸银的质量浓度为0.01～0.1 mg/ml。
所述的基材为玻璃、石英、云母、不锈钢、聚酯膜或聚乳酸膜。
所述的以旋涂的方式涂敷在基材表面上的方法为：开动旋涂仪，转速为1000rad/min，用滴管吸取0.1ml涂膜液滴在基材上，旋涂10s，然后在2500rad/min下旋涂2min，干燥，重复旋涂3-5次。
所述的以浸涂的方式涂敷在基材表面上的方法为：用镊子夹住基材，浸入涂膜液中5s，取出，使表面的液体均匀覆盖，然后放置于玻璃平板上，干燥后用刀片剥离基材。
所述的以喷涂的方式涂敷在基材表面上的方法为：将喷涂液加入到雾化器中，喷涂在基材上1s，60℃烘箱干燥20min，此操作重复5次。
本发明涂层溶液配制简便，能实现无污染操作，可采用旋涂、浸涂、喷涂等可工业实现的方式，适用范围广，能够对具有复杂体型结构的生物医用装置进行涂层修饰；涂层可改善医用装置表面的多种抗菌性能，润滑性，生物相容性，在人体环境下以水凝胶的形式存在，这种性质使生物材料表面润滑，减少材料表面和粘膜组织之间的摩接阻力；涂层材料化学结构稳定，耐疲劳、剪切，能适应人体的内环境；涂层能够实现广谱的多功能抗菌的能力。
具体实施方式
广谱长效抗菌壳聚糖纳米复合凝胶涂层制备方法：在pH值为4.0的醋酸缓冲溶液中依次加入硝酸银、聚乙烯吡咯烷酮和壳聚糖，搅拌2h，以旋涂、浸涂或喷涂的方式涂敷在基材表面上，经自然干燥处理12h和真空干燥处理12h，然后在90～180℃原位热还原0.5～6h，得到纳米银颗粒粒度为5～50nm的广谱长效抗菌壳聚糖纳米复合凝胶涂层，其中，壳聚糖质量浓度为5~20mg/ml，聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为1~20mg/ml，硝酸银的质量浓度为0.01～0.1 mg/ml。
所述的基材为玻璃、石英、云母、不锈钢、聚酯膜或聚乳酸膜。所述的以旋涂的方式涂敷在基材表面上的方法为：开动旋涂仪，转速为1000rad/min，用滴管吸取0.1ml涂膜液滴在基材上，旋涂10s，然后在2500rad/min下旋涂2min，干燥，重复旋涂3-5次。所述的以浸涂的方式涂敷在基材表面上的方法为：用镊子夹住基材，浸入涂膜液中5s，取出，使表面的液体均匀覆盖，然后放置于玻璃平板上，干燥后用刀片剥离基材。所述的以喷涂的方式涂敷在基材表面上的方法为：将喷涂液加入到雾化器中，喷涂在基材上1s，60℃烘箱干燥20min，此操作重复5次。
实施例1：
依次在pH值为4.0的醋酸缓冲溶液中加入硝酸银、聚乙烯吡咯烷酮和壳聚糖，搅拌2h，涂膜液中壳聚糖和聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度分别为10mg/ml和1mg/ml，硝酸银的浓度为0.1 mg/ml。将喷涂液加入到雾化器中，喷涂在石英上1s，60℃烘箱干燥20min，此操作重复5次。涂层在110℃原位热还原4h，获得了一种广谱长效抗菌壳聚糖纳米复合凝胶涂层。
断面场发射扫描电镜测试涂层的厚度为3.56±0.45μm。透射电镜结果表明：纳米银颗粒粒度分布于5～12nm，平均8nm。摇瓶培养和稀释涂平板法测试膜层的杀菌性能，结果显示该膜层能在10min杀死100%的大肠杆菌和100%的金黄色葡萄球菌。采用MTT和FDA实验结果发现对人脐静脉内皮细胞细胞毒性较低，细胞活性超过TCPS的92%，因此具有良好的细胞相容性。
实施例 2：
依次在pH值为4.0的醋酸缓冲溶液中加入硝酸银、聚乙烯吡咯烷酮和壳聚糖，搅拌2h，涂膜液中壳聚糖和聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度分别为5mg/ml和2mg/ml，硝酸银的浓度为0.2 mg/ml。将喷涂液加入到雾化器中，喷涂在基材上1s，60℃烘箱干燥20min，此操作重复5次。涂层在90℃原位热还原6h，获得了一种广谱长效抗菌壳聚糖纳米复合凝胶涂层。
原子力显微镜观察形貌发现表面具有很低的粗糙度，RMS为3.72±0.34 nm。透射电镜结果表明：纳米银颗粒粒度分布于7～15nm，平均10nm。摇瓶培养和稀释涂平板法测试膜层的杀菌性能，结果显示该膜层能在10min杀死100%的大肠杆菌和100%的金黄色葡萄球菌。采用MTT和FDA实验结果发现对人脐静脉内皮细胞细胞毒性较低，细胞活性超过TCPS的85%，因此具有良好的细胞相容性。
实施例 3：
依次在pH值为4.0的醋酸缓冲溶液中加入硝酸银、聚乙烯吡咯烷酮和壳聚糖，搅拌2h，涂膜液中壳聚糖和聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度分别为7mg/ml和5mg/ml，硝酸银的浓度为0.3 mg/ml。开动旋涂仪，转速为1000rad/min，用滴管吸取0.1ml涂膜液滴在玻璃上，旋涂10s，然后在2500rad/min下旋涂2min，干燥，重复旋涂3-5次。涂层在150℃原位热还原0.5h，获得了一种广谱长效抗菌壳聚糖纳米复合凝胶涂层。
断面场发射扫描电镜测试膜层的厚度为2.55±0.38μm。静态接触角测试膜层显示出一定的亲水性，为66.67±1.62°，原子力显微镜观察形貌发现表面具有很低的粗糙度，RMS为2.44±0.26 nm。透射电镜结果表明：纳米银颗粒粒度分布于9～19nm，平均15nm。摇瓶培养和稀释涂平板法测试膜层的杀菌性能，结果显示该膜层能在10min杀死100%的大肠杆菌和100%的金黄色葡萄球菌。抗细菌黏附实验发现和未涂膜的基材相比，该共混膜降低了100%的大肠杆菌黏附和98%的金黄色葡萄球菌的黏附。采用MTT和FDA实验结果发现对人脐静脉内皮细胞细胞毒性较低，细胞活性超过TCPS的82%，因此具有良好的细胞相容性。
实施例 4：
依次在pH值为4.0的醋酸缓冲溶液中加入硝酸银、聚乙烯吡咯烷酮和壳聚糖，搅拌2h，涂膜液中壳聚糖和聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度分别为13mg/ml和10mg/ml，硝酸银的浓度为0.3 mg/ml。用镊子夹住云母，浸入涂膜液中5s，取出，使表面的液体均匀覆盖，然后放置于玻璃平板上，干燥后用刀片剥离聚酯膜。涂层在180℃原位热还原0.5h，获得了一种广谱长效抗菌壳聚糖纳米复合凝胶涂层。
断面场发射扫描电镜测试膜层的厚度为4.63±0.63μm。静态接触角测试膜层显示出一定的亲水性，为54.45±1.44°，原子力显微镜观察形貌发现表面具有很低的粗糙度，RMS为2.53±0.34 nm。透射电镜结果表明：纳米银颗粒粒度分布于12～24nm，平均18nm。摇瓶培养和稀释涂平板法测试膜层的杀菌性能，结果显示该膜层能在10min杀死100%的大肠杆菌和100%的金黄色葡萄球菌。采用MTT和FDA实验结果发现对人脐静脉内皮细胞细胞毒性较低，细胞活性超过TCPS的75%，因此具有一定的细胞相容性。
实施例 5：
依次在pH值为4.0的醋酸缓冲溶液中加入硝酸银、聚乙烯吡咯烷酮和壳聚糖，搅拌2h，涂膜液中壳聚糖和聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度分别为5mg/ml和15mg/ml，硝酸银的浓度为0.5 mg/ml。用镊子夹住云母，浸入涂膜液中5s，取出，使表面的液体均匀覆盖，然后放置于玻璃平板上，干燥后用刀片剥离聚酯膜。涂层在125℃原位热还原3h，获得了一种广谱长效抗菌壳聚糖纳米复合凝胶涂层。
断面场发射扫描电镜测试膜层的厚度为2.93±0.34μm。静态接触角测试膜层显示出一定的亲水性，为48.34±1.64°，原子力显微镜观察形貌发现表面具有很低的粗糙度，RMS为2.14±0.35 nm。透射电镜结果表明：纳米银颗粒粒度分布于15～27nm，平均20nm。摇瓶培养和稀释涂平板法测试膜层的杀菌性能，结果显示该膜层能在10min杀死100%的大肠杆菌和100%的金黄色葡萄球菌。抗细菌黏附实验发现和未涂膜的的基材相比，该共混膜降低了95%的大肠杆菌黏附和98%的金黄色葡萄球菌的黏附。
实施例 6：
依次在pH值为4.0的醋酸缓冲溶液中加入硝酸银、聚乙烯吡咯烷酮和壳聚糖，搅拌2h，涂膜液中壳聚糖和聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度分别为20mg/ml和20mg/ml，硝酸银的浓度为0.6 mg/ml。将喷涂液加入到雾化器中，喷涂在聚乳酸膜上1s，60℃烘箱干燥20min，此操作重复5次。涂层在130℃原位热还原3h，获得了一种广谱长效抗菌壳聚糖纳米复合凝胶涂层。
断面场发射扫描电镜测试膜层的厚度为5.85±0.56μm。静态接触角测试膜层显示出一定的亲水性，为63.45±2.44°，原子力显微镜观察形貌发现表面具有很低的粗糙度，RMS为3.23±0.44 nm。透射电镜结果表明：纳米银颗粒粒度分布于15～30nm，平均22nm。摇瓶培养和稀释涂平板法测试膜层的杀菌性能，结果显示该膜层能在10min杀死100%的大肠杆菌和100%的金黄色葡萄球菌。抗细菌黏附实验发现和未涂膜的的基材相比，该共混膜降低了96%的大肠杆菌黏附和95%的金黄色葡萄球菌的黏附。
实施例 7：
依次在pH值为4.0的醋酸缓冲溶液中加入硝酸银、聚乙烯吡咯烷酮和壳聚糖，搅拌2h，涂膜液中壳聚糖和聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度分别为12mg/ml和9mg/ml，硝酸银的浓度为0.8mg/ml。开动旋涂仪，转速为1000rad/min，用滴管吸取0.1ml涂膜液滴在聚酯膜上，旋涂10s，然后在2500rad/min下旋涂2min，干燥，重复旋涂3-5次。涂层在135℃原位热还原2.5h，获得了一种广谱长效抗菌壳聚糖纳米复合凝胶涂层。
断面场发射扫描电镜测试膜层的厚度为4.54±0.43μm。静态接触角测试膜层显示出一定的亲水性，为52.45±2.54°，原子力显微镜观察形貌发现表面具有很低的粗糙度，RMS为2.33±0.36 nm。透射电镜结果表明：纳米银颗粒粒度分布于16～35nm，平均25nm。把该涂层浸泡在PBS中释放35d，摇瓶培养和稀释涂平板法测试膜层的杀菌性能，结果显示该膜层能在30min杀死100%的大肠杆菌和100%的金黄色葡萄球菌。
实施例 8：
依次在pH值为4.0的醋酸缓冲溶液中加入硝酸银、聚乙烯吡咯烷酮和壳聚糖，搅拌2h，涂膜液中壳聚糖和聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度分别为11mg/ml和11mg/ml，硝酸银的浓度为1.0 mg/ml。用镊子夹住不锈钢，浸入涂膜液中5s，取出，使表面的液体均匀覆盖，然后放置于玻璃平板上，干燥后用刀片剥离聚酯膜。涂层在100℃原位热还原3h，获得了一种广谱长效抗菌壳聚糖纳米复合凝胶涂层。
断面场发射扫描电镜测试膜层的厚度为3.84±0.32μm。静态接触角测试膜层显示出一定的亲水性，为54.45±2.04°，原子力显微镜观察形貌发现表面具有很低的粗糙度，RMS为2.53±0.23 nm。该涂层在PBS中浸泡35d，用场发射扫描电镜观察断面，发现该膜层均匀和稳定存在于硅片表面，表明预处理提高了膜层的粘结性能。透射电镜结果表明：纳米银颗粒粒度分布于22～50nm，平均30nm。摇瓶培养和稀释涂平板法测试膜层的杀菌性能，结果显示该膜层能在30min杀死100%的大肠杆菌和100%的金黄色葡萄球菌。
Claims (5)
1.一种广谱长效抗菌壳聚糖纳米复合凝胶涂层制备方法，其特征在于：在pH值为4.0的醋酸缓冲溶液中依次加入硝酸银、聚乙烯吡咯烷酮和壳聚糖，搅拌2h，以旋涂、浸涂或喷涂的方式涂敷在基材表面上，经自然干燥处理12h和真空干燥处理12h，然后在90～180℃原位热还原0.5～6h，得到纳米银颗粒粒度为5～50nm的广谱长效抗菌壳聚糖纳米复合凝胶涂层，其中，壳聚糖质量浓度为5~20mg/ml，聚乙烯吡咯烷酮的质量浓度为1~20mg/ml，硝酸银的质量浓度为0.01～0.1 mg/ml。
2.根据权利要求1所述的一种广谱长效抗菌壳聚糖纳米复合凝胶涂层制备方法，其特征在于所述的基材为玻璃、石英、云母、不锈钢、聚酯膜或聚乳酸膜。
3.根据权利要求1所述的一种广谱长效抗菌壳聚糖纳米复合凝胶涂层制备方法，其特征在于，所述的以旋涂的方式涂敷在基材表面上的方法为：开动旋涂仪，转速为1000rad/min，用滴管吸取0.1ml涂膜液滴在基材上，旋涂10s，然后在2500rad/min下旋涂2min，干燥，重复旋涂3-5次。
4.根据权利要求1所述的一种广谱长效抗菌壳聚糖纳米复合凝胶涂层制备方法，其特征在于，所述的以浸涂的方式涂敷在基材表面上的方法为：用镊子夹住基材，浸入涂膜液中5s，取出，使表面的液体均匀覆盖，然后放置于玻璃平板上，干燥后用刀片剥离基材。
5.根据权利要求1所述的一种广谱长效抗菌壳聚糖纳米复合凝胶涂层制备方法，其特征在于，所述的以喷涂的方式涂敷在基材表面上的方法为：将喷涂液加入到雾化器中，喷涂在基材上1s，60℃烘箱干燥20min，此操作重复5次。
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