CN102786708A

CN102786708A - 一种抗菌医用高分子材料的制备方法

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Publication number: CN102786708A
Application number: CN2012102962914A
Authority: CN
Inventors: 郭睿劼; 沙晓娟; 侯文娟; 魏丽乔; 许并社
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2012-08-20
Filing date: 2012-08-20
Publication date: 2012-11-21

Abstract

一种抗菌医用高分子材料的制备方法是将医用高分子材料固定在等离子体设备真空室内，抽真空，预热，通入气体，开启处理台的电源，进行处理，获得高表面活性的医用高分子材料；在改性后的高反应性表面接枝硅烷偶联剂，形成自组装单层膜SAM；在随后的无电镀过程中，自组装单层膜捕获溶液中的银离子而制得与高分子材料基体有很强结合力的抗菌涂层。该方法操作简单，不影响材料的物理化学性质，抗菌涂层与高分子材料基体间牢固结合。获得的抗菌高分子材料表面结构稳定，抗菌性持久。

Description

一种抗菌医用高分子材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种医用高分子材料的制备方法，尤其是一种采用等离子体-自组装单层膜表面改性和化学镀相结合的技术制备抗菌医用高分子材料的方法。

背景技术

医用高分子材料是生物医用材料的重要组成部分。其性能优异、结构多样、适应性广，在各种医疗器械行业逐步取代传统材料俨然成为一种趋势。目前全球大量用于医疗器械的医用高分子材料达12种，利用现有的生物医学材料已开发应用的医用植入体、人工器官等近300种。近年来，西方国家在医学上消耗的高分子材料每年以10%~20%的速度增长，而国内也以20%左右的速度迅速增长。临床上，这些材料需要长期与人体体表、血液、体液接触，有的甚至要求永久性地植入体内。但在使用过程中，材料表面易于发生微生物的定殖、繁衍，从而引发感染。据报道，在医院感染中，有45%是由于导管等植入体引起的。这种以生物医用材料为中心的感染不仅发生率高，而且治疗效果差，感染进程常常持续到生物材料取出为止(Saima Aslam, Effect of antibacterials on biofilms, American Journal of Infection Control, 2008, 36: 175e9-11)。在欧美等发达国家，由于大量采用中心静脉插管等医疗辅助器械，在取得了显著疗效的同时，也导致了器械相关性细菌感染病例的猛增，治疗时间延长，病人痛苦不堪，随之而来的还有昂贵的医疗费用。因此，医用材料的抗菌处理必不可少。

目前，制备抗菌医用高分子材料的方法主要包括在本体材料中加入抗菌剂（共混法）、在材料表面涂覆抗菌涂层以及表面接枝抗感染剂等三种方法。

本体材料中加入抗菌剂是指在材料加工前，将抗菌剂作为填料加入到本体材料中，从而实现改善本体材料抗菌性能的目的。但这一方法不仅仅影响材料本身的加工性能，而且往往会因为加工温度过高造成抗菌剂的分解从而影响抗菌性能。如公开号为CN1428368A的一种“抗感染高分子材料及其制备方法和应用”的发明专利，描述了一类用于制备高分子医疗器械的医用抗感染高分子组合物的方法，通过向高分子材料中添加抗感染剂制备了整体具有抗感染功能的医用抗感染高分子材料。但该方法恶化了高分子材料原有的透明性，制备的医疗器械无透明性，限制了其使用范围。

表面接枝法制备抗菌医用高分子材料，是指采用表面活性方法处理医用高分子材料表面，使其表面富含各种活性基团，进而接枝抗生素或季铵盐等抗感染物质，使医用高分子材料具有抗菌特性。

在材料表面涂覆抗菌剂，可在材料表面形成抗菌层，从而达到抗菌效果。但在体液的作用下，如果抗菌剂与材料的结合力较差，抗菌层容易脱落，导致抗菌效果难以持久。例如，专利含银聚氨酯脲溶液（US2009253826-A1；CN101555349-A）和专利沉积产物复合材料及其生产工艺（Deposition Products, Composite Materials and Processes for the Production Thereof, US2008233161-A1）采用浸涂的方法将银或各价态的银化合物涂覆在高分子材料表面，但大量银脱落进入体液导致抗菌的持久性变差。

为了提高医用高分子材料与抗菌涂层之间的结合力，首先采用等离子体技术对医用高分子材料进行表面改性，以在其表面产生活化基团，例如-OH、-O-O-和自由基等；然后在改性后的高反应性表面接枝硅烷偶联剂，形成自组装单层膜SAM；在随后的无电镀过程中，自组装单层膜捕获溶液中的银离子而制得与高分子材料基体有很强结合力的抗菌涂层。过程如图1所示。

等离子体是由离子、电子和中性粒子组成的电离气体，整体显中性，其改性材料表面的作用机理主要归结为粒子的非弹性碰撞。等离子改性材料表面后可以提高其表面的活化性、亲水性、生物相容性和抗静电性等特征。其优点是等离子具有更高的温度和能量密度，在等离子体辅助作用下更易于产生活性成分，从而引发在常规化学反应中不能或难以实现的物理变化和化学变化，活性成分包括紫外和可见光子、电子、离子和自由基，可以精确地控制表面处理工艺参数，对表面进行微观改性，节省能源，减少污染，对环境保护和实现可持续发展显得更有意义。因此，本发明致力于阐明采用等离子体技术制备抗菌医用高分子材料的方法，以此获得抗菌医用高分子材料。

发明内容

本发明要解决的问题是提供采用等离子体-自组装单层膜和化学镀相结合的技术制备抗菌医用高分子材料的方法；该方法通过将医用高分子材料固定在等离子体设备真空室内的处理台上，抽真空，通入气体，开启处理台，处理材料，得到具有高表面活性的医用高分子材料；在改性后的高反应活性表面接枝硅烷偶联剂，形成自组装单层膜SAM；自组装单层膜捕获溶液中的银离子而制得与高分子材料基体有很强结合力的抗菌涂层。本方法操作简单，不影响材料本体的物理、化学性质，处理后得到的高分子材料表面结构稳定，具有长效、广谱的抗菌性能。

为了解决上述问题，本发明提供一种抗菌医用高分子材料的制备方法，其所述方法是按下列步骤进行的：

(1) 将医用高分子材料固定在等离子体设备的真空室处理台上；

(2) 密封真空室，抽真空；

(3) 通入适用于等离子体的气体；

(4) 开启处理台的电源，处理材料，获得表面含有活性基团的医用高分子材料；

(5) 将处理后的医用高分子材料置于偶联剂中浸泡。形成自组装单层膜SAM；

(6) 用化学镀的方法，使处理后的高分子材料与抗感染剂结合。

在上述技术方案中，进一步的附加技术特征在于：

医用高分子材料包括选自天然橡胶乳胶、硅橡胶、医用级的聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、热塑性聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二酯、尼龙、聚四氟乙烯中的一种或两种以上的共混物。

抽真空的真空度是低于6×10⁰Pa。

通入适用于等离子体的气体后的真空度维持在1.0×10^-2~1.0×10²Pa。

适用于等离子体的气体包括氮气、氨气、氢气、氧气、氯气、甲烷、乙烷、乙炔、乙醇气体、水蒸气、氦气中的一种或两种以上气体与氩气的混合物。

等离子体的功率为0.1~3000W。

偶联剂是提供含孤电子对原子的硅烷偶联剂。

与现有技术相比，本发明的优点与积极效果在于：

本发明采用等离子体-自组装单层膜与化学镀相结合的技术处理医用高分子材料，通入气体的流速及等离子体源的功率可调，有效地控制等离子体修饰医用高分子材料表面的化学结构，使其表面产生大量的活性基团，经自组装单层膜改性后与抗菌剂牢固结合，从而达到长久的抗菌效果且生物相容性好。

本发明中的医用高分子材料经等离子体-自组装单层膜技术处理之后，与抗菌剂结合力明显增强，可达到可用范围。

本发明操作简单，不影响材料本身的物理、化学性质。

本发明处理之后得到的抗菌医用高分子材料表面结构稳定，具有长效、广谱的抗菌性能。

附图说明

图1是本发明等离子体-自组装单层膜制备抗菌医用高分子材料的过程示意图。

图2 是本发明抗菌高分子材料表面SEM图。

图3 是本发明抗菌高分子材料表面EDS图。

图4是本发明3M胶法测试结合力示意图。

图5是本发明抑菌环试验图片。

具体实施例

下面对本发明的具体实施方式做出进一步的说明。

实施例1

实施本发明所提供的一种抗菌医用高分子材料的制备方法，该方法采用等离子体-自组装单层膜与化学镀相结合技术制备抗菌医药高分子材料，按以下步骤进行：

将厚度为0.05mm硅胶片剪成5cm×5cm的薄片，将其依次置于丙酮溶液、一定浓度的碱溶液、酸溶液、去离子水中超声波清洗一定时间，取出烘干备用；之后，将预处理后的硅胶片置于等离子体设备真空室的处理台上，密封，抽真空到6×10⁰Pa；预热10min，通入20.0SCCM的氦气，最终使真空室内的真空度维持在10Pa。打开等离子体源，使其功率保持在50W，处理时间为10min；处理结束后，关闭处理台电源，通入空气使处理台内气压恢复到大气压；取出处理后的硅胶片；配置一定浓度的硅氧烷偶联剂溶液，将处理后的硅胶片放入配置好的硅烷偶联剂溶液中，浸泡1天；用去离子水清洗样品表面，将硅胶片置于配制好的含Ag⁺的镀液中，在黑暗条件下反应30min，使硅胶片表面结合抗菌剂，取出晾干，即得所需的医用抗菌硅胶。

图2是经等离子体-自组装单层膜和化学镀相结合的方法制备的抗菌硅胶表面扫描电镜（SEM）图及能量色散X射线谱(EDS)图（图3）。从SEM图中可以看出，经过等离子体-自组装单层膜处理之后，硅胶表面的抗菌涂层均匀无裂纹，颗粒排列紧密、大小一致； EDS结果显示涂层表面银含量达到44.98%，证实所得涂层为银镀层。采用超声波测试法、胶带法（图4）及弯曲试验法测试表面结合力，根据ASTM(American Standard Test Method) D3359和ASTM B571标准，可知经过处理之后的硅胶与抗菌剂间有很强的结合力。图5是经等离子体-自组装单层膜处理之后所制备的抗菌硅胶的抗菌性测试结果，所用菌种是大肠杆菌，所用方法是抑菌环实验法。从图中可以看出，抗菌硅胶具有较强的抗菌性，产生的抑菌环均大于等于9mm。结果表明经过等离子体-自组装单层膜处理之后的抗菌硅胶在不改变本身物理、化学性质的基础上，与抗菌剂结合牢固，抗菌剂不易产生脱落；同时具有良好的抗菌性能。

实施例2

采用等离子体-自组装单层膜和化学镀相结合的技术制备抗菌医药高分子材料，包括以下步骤：

将厚度为1mm的硅胶片剪成5cm×5cm的薄片，将其依次置于丙酮溶液、一定浓度的碱溶液、酸溶液、去离子水中分别超声波清洗一定时间，取出烘干备用；之后，将预处理后的硅胶片置于等离子体设备真空室的处理台上，密封，抽真空到2×10^-1Pa；预热15min，通入40.0SCCM的氦气，使真空室内真空度维持在30Pa；打开等离子体源，使其功率保持在100W，处理时间为10min；处理结束后，关闭处理台电源，通入空气使处理台内气压恢复到大气压，取出处理后的硅胶片；配置一定浓度的硅烷偶联剂溶液，将处理后的硅胶片放入配置好的硅烷偶联剂溶液中，浸泡1天；用去离子水清洗样品表面，将硅胶片置于配置好的抗菌剂反应液中，在黑暗条件下反应30min，使硅胶片表面结合抗菌剂，取出晾干，即得所需的医用抗菌硅胶。

经测试，等离子体-自组装单层膜技术处理之后硅胶片与抗菌剂结合牢固；抗菌硅胶对大肠杆菌有明显的抗菌性能，经抑菌环实验之后，其抑菌环的大小大于等于9mm。

实施例3

将厚度为1mm的PVC材料剪成2.5cm×2.5cm的薄片，将其依次置于丙酮溶液、一定浓度的碱溶液、酸溶液、去离子水中分别超声波清洗一定时间，取出烘干备用；之后，将预处理后的PVC置于等离子体设备真空室的处理台上，密封，抽真空到6×10⁰Pa；预热10min，通入20.0SCCM的氦气，最终使真空室内真空度维持在30Pa；打开等离子体源，使其功率保持在50W，处理时间为20min；处理结束后，关闭处理台电源，通入空气使处理台内气压恢复到大气压；取出处理后的硅胶片；配置一定浓度的硅氧烷偶联剂溶液，将处理后的PVC放入配置好的硅烷偶联剂溶液中，浸泡1天；用去离子水清洗样品表面，将PVC置于配置好的抗菌剂反应液中，在黑暗条件下反应30min，使PVC表面结合抗菌剂，取出晾干，即得所需的医用抗菌PVC。

经测试，等离子体-自组装单层膜技术处理之后的PVC材料与抗菌剂结合牢固；抗菌PVC对大肠杆菌有明显的抗菌性能，经抑菌环实验之后，其抑菌环的大小大于等于9mm。

实施例4

将厚度为1mm的聚氨酯材料剪成2.5cm×2.5cm的薄片，将其依次置于丙酮溶液、一定浓度的碱溶液、酸溶液、去离子水中分别超声波清洗一定时间，取出烘干备用；之后，将预处理后的聚氨酯材料置于等离子体设备真空室的处理台上，密封，抽真空到1×10^-1Pa；预热10min，通入20.0SCCM的氦气，最终使真空室内真空度维持在50Pa；打开等离子体源，使其功率保持在50W，处理时间为10min；处理结束后，关闭处理台电源，通入空气使处理台内气压恢复到大气压；取出处理后的聚氨酯；配置一定浓度的硅氧烷偶联剂溶液，将处理后的聚氨酯放入配置好的硅烷偶联剂溶液中，浸泡1天；用去离子水清洗样品表面，将聚氨酯置于配置好的抗菌剂反应液中，在黑暗条件下反应30min，使聚氨酯表面结合抗菌剂，取出晾干，即得所需的医用抗菌聚氨酯。

经测试，等离子体-自组装单层膜技术处理之后的聚氨酯材料与抗菌剂的结合力牢固，抗菌涂层不易脱落；抗菌聚氨酯对大肠杆菌有明显的抗菌性能，经抑菌环试验之后，其抑菌环的大小大于等于9mm。

实施例5

将厚度为1mm的PET材料剪成2.5cm×2.5cm的薄片，将其依次置于丙酮溶液、一定浓度的碱溶液、酸溶液、去离子水中分别超声波清洗一定时间，取出烘干备用；之后，将预处理后的PET置于等离子体设备真空室的处理台上，密封；抽真空到6×10⁰Pa；预热10min，通入20.0SCCM的氦气，最终使真空室内的真空度维持在10Pa；打开等离子体源，使其功率保持在50W，处理时间为10min；处理结束后，关闭处理台电源，通入空气使处理台内气压恢复到大气压，取出处理后的PET；配置一定浓度的硅氧烷偶联剂溶液，将处理后的PET放入配置好的硅烷偶联剂中，浸泡1天；用去离子水清洗样品表面，将PE置于配置好的抗菌剂反应液中，在黑暗条件下反应30min，使PET表面结合抗菌剂，取出晾干，即得所需的医用抗菌PET。

经测试，等离子体-自组装单层膜技术处理之后的PET材料与抗菌剂结合牢固，抗菌涂层不易脱落；抗菌PET对大肠杆菌有明显的抗菌性能，经抑菌环实验之后，其抑菌环的大小大于等于9mm。

实施例6

采用等离子体-自组装单层膜与化学镀相结合的技术制备抗菌医药高分子材料，包括以下步骤：

将厚度为0.5mm的PE材料剪成5cm×5cm的薄片，将其依次置于丙酮溶液、一定浓度的碱溶液、酸溶液、去离子水中分别超声波清洗一定时间，取出烘干备用；之后，将预处理的PE置于等离子体设备真空室的处理台上，密封，抽真空到6×10⁰Pa；预热10min，通入20.0SCCM的氦气，最终使真空室内的真空度维持在10Pa；打开等离子体源，使其功率保持在50W，处理时间为10min，处理结束后，关闭处理台电源，通入空气使处理台内气压恢复到大气压，取出处理后的硅胶片；配置一定浓度的硅氧烷偶联剂溶液，将处理后的PE放入配置好的硅烷偶联剂溶液中，浸泡1天；用去离子水清洗样品表面，将PE置于配置好的抗菌剂反应液中，在黑暗条件下反应30min，使PE表面结合抗菌剂，取出晾干，即得所需的医用抗菌PE。

经测试，等离子体-自组装单层膜技术处理之后的PE与抗菌剂牢固结合，抗菌涂层不易脱落。抗菌PE对大肠杆菌有明显的抗菌性能，经抑菌环实验之后，其抑菌环的大小大于等于9mm。

在本发明上述实施例1～6中，将医用高分子材料固定在等离子体设备真空室中的处理台上后密封并抽真空，然后通入适用于等离子体的气体，在具体的实施过程中，所适用的气体包括氩气、氮气、氨气、氢气、氧气、氯气、甲烷、乙烷、乙炔、乙醇气体、水蒸气和氦气中的一种或两种以上气体的任意混合物，均能够实现本发明所述的目的，达到本发明所述的效果。

在实施本发明发方法的过程中，所制备的医用高分子材料是应用于医疗器械、医疗设施、医疗辅具以及人工脏器的高分子材料；包括选自天然橡胶乳胶、硅橡胶、热塑性弹性体的医用级橡胶材料及其两种或两种以上的混合物和改性材料；具有医用级的聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、热塑性聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二酯、尼龙、聚四氟乙烯、聚酰胺和聚碳酸酯中的一种或两种以上的共混物。其所制得的抗菌医用高分子材料可用于体内植入物（如导管、人工心脏、人工心脏辨膜、心脏修复、人工尿道、人工骨、整容器材及心脏起搏器等）及体外器官和装置（如假肢、假齿、麻痹肢刺激器、电子假肢、假眼等）等。

实施本发明方法制备得到的医用高分子材料所具有的抗菌性是采用等离子体-自组装单层膜与化学镀相结合的技术制备的抗菌医用高分子材料表面部分对细菌的抗感染效率达到90%以上；细菌种类包括大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、绿脓杆菌、白色念球菌、肺炎球菌、克雷伯菌、墨绿球菌。所具有的结合力是采用等离子体-自组装单层膜与化学镀相结合的技术制备抗菌的医药高分子材料抗菌涂层与医用高分子材料结合力牢固，所用的测试方法为超声波测试法、胶带法以及弯曲试验法。

Claims

1.一种抗菌医用高分子材料的制备方法，其所述方法是按下列步骤进行的：

(2) 密封真空室，抽真空；

(3) 通入适用于等离子体的气体；

(5) 将处理后的医用高分子材料置于偶联剂中浸泡，形成自组装单层膜SAM；

(6) 用化学镀的方法，将抗感染剂结合在已形成自组装单层膜的医用高分子材料表面。

2.如权利要求1所述的方法，其所述医用高分子材料包括选自天然橡胶乳胶、硅橡胶；医用级的聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、热塑性聚氨酯(TPU)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、尼龙、聚四氟乙烯(PTFE)中的一种或两种以上的共混物。

3.如权利要求1所述的方法，其所述抽真空的真空度是低于6×10⁰Pa。

4.如权利要求1所述的方法，其所述通入适用于等离子体的气体后的真空度维持在1.0×10^-2~1.0×10²Pa。

5.如权利要求1或4所述的方法，其所述适用于等离子体的气体包括氮气、氨气、氢气、氧气、氯气、甲烷、乙烷、乙炔、乙醇气体、水蒸气、氦气中的一种或两种以上气体与氩气的混合物。

6.如权利要求1所述的方法，其所述等离子体的功率为0.1~3000W。

7.如权利要求1所述的方法，其所述偶联剂是提供含孤电子对原子的硅烷偶联剂。

8.如权利要求7所述的方法，其所述硅氧烷偶联剂的通式为：

Y(CH₂)_nSiX₃

其中n=0~3；X为可水解的基团，通常是氯基、甲氧基、甲氧基乙氧基、乙酰基等；Y为有机官能团，通常是氨基、环氧基、甲基丙烯酰氧基、巯基、脲基等。

9.如权利要求1所述的方法，其所述抗感染剂为以Ag⁺为有效抗感染成分的无机银系抗感染剂。