CN103131227A - 一种抗生物垢涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种抗生物垢涂层的制备方法，采用自组装技术和光聚合技术相结合制备了一种具有抗生物垢功能的涂层材料。该涂层由两部分组成，底层将含有邻苯二酚基团的单体利用自组装技术形成分子膜，面层是由具有抗生物垢功能的聚合物的单体以光固化的形式构成聚合物层。底层能够提高基材与面层的在湿态环境下的粘结力，提高涂层的耐久度，面层起抗生物垢的功能作用。本涂层可用于船体等水下设施、医疗器械以及工业水处理等设备表面，用于抵抗细菌、藻类、蛋白等生物垢粘附。
Description
技术领域：
本发明属于化工领域，涉及化学涂料，尤其是一种具有抗生物垢功能的涂层。
背景技术
生物垢是指积累在材料表面的微生物、植物、动物等形成的垢质，比如细菌、蛋白质、硅藻、绿藻、藤壶等。无论在海洋工业，还是在医疗卫生方面，生物垢的存在都带来了不利的影响。如海洋工业中，船体上的生物垢会增加表面粗糙度，引起高的流体摩擦阻力，从而导致更多的燃料消耗，同时也会加快船体的腐蚀以及引入外来物种。在医用生物材料的研究中，如何阻止非特异生物分子和微生物粘附在生物传感器、移植设备、药物释放载体表面等是一个重大挑战。人们投入了大量的努力用于研究抗生物垢材料中。至今，最有效的涂层是基于锡和铜杀菌剂类化合物，尤其是三丁基锡自洁共聚物涂层已经被广泛应用，但研究表明这些涂层残留毒性，亟待改进。
亲水性的聚乙二醇聚合物具有高的表面能。近几年，国内外科研的基础研究表明聚乙二醇由于其空间位阻、大的排除体积和较高的移动性能够很好的抵抗蛋白质和细胞的粘附。同时，恰恰由于聚乙二醇的高亲水性，使其与基材表面易于剥离，因此，涂层的耐久性不佳。为解决这一问题，本专利受贻贝蛋白具有高耐水性粘附行为启发，采用人工合成带有类贻贝蛋白粘附功能基团（邻苯二酚基团）的仿生单体，即解决了涂层的耐久性，又不被贻贝蛋白的价格昂贵、提取困难这一因素制约。其主要粘附机理如下：邻苯二酚基团作为贻贝粘附蛋白中起主要粘附作用的基团，在有氧或氧化物质存在下可以被氧化成不稳定的醌结构后与其他还原性基团（如氨基、巯基、羟基）形成共价键，从而能够牢固地粘附在许多基材表面（玻璃、金属、木头、石头等）。
发明内容：本发明的目的在于提供一种能够抵抗生物垢粘附的涂层。该涂层制备方法简单，抗垢效果明显。
本发明实现目的的技术方案如下：
一种抗生物垢涂层的制备方法，其特征在于：该抗生物垢涂层，由底层分子膜和面层聚合物膜构成，底层采用自组装技术将含有邻苯二酚基团的（甲基）丙烯酸酯单体制备成分子膜，面层采用光固化技术将带有抗生物垢官能团的单体其溶液固化成聚合物膜，利用底层和面层双键分子间的聚合形成牢固的结合；
所述底层分子膜的制备，包括以下步骤：（1）将含有邻苯二酚基团的（甲基）丙烯酸酯单体溶于溶剂配成溶液，溶液浓度为1~5mg/mL；（2）将洗净的基材浸入到配得的溶液中，在10~40℃下，放置12~24小时后，取出用溶剂冲洗，最后吹干得到有底面分子膜的基材；
所述面层聚合物膜的制备，其特征在于，包括以下步骤：（1）将具有抗生物垢官能团的单体配成溶液，组成如下
溶剂 60~90
单体 40~10
光引发剂 1~5；
（2）在具有底面分子膜的基材上涂覆上单体溶液在紫外光下照射1~5分钟，其中光强为5~20mw/cm2。
进一步，含有邻苯二酚基团的（甲基）丙烯酸酯单体，具有如下结构式之一：
n=2,3或4。
进一步，基材为玻璃基基材和金属基基材。
进一步，所述具有抗生物垢功能的单体为基于聚乙二醇的各类（甲基）丙烯酸酯类单体，或者带有阴阳离子结构具有抗生物垢功能的（甲基）丙烯酸酯单体。具体的，为分子量350的聚乙二醇单（甲基）丙烯酸酯，分子量900的聚乙二醇单（甲基）丙烯酸酯聚乙二醇双（甲基）丙烯酸酯，3-磺酸丙基（甲基）丙烯酸钾盐或（甲基）丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵。
进一步，所述引发剂为2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮(1173)或2羟基-2-2-甲基-1-对羟乙基醚基苯基丙酮（2959）。
本发明将邻苯二酚基团作为贻贝粘附蛋白中起主要粘附作用的基团，在有氧或氧化物质存在下可以被氧化成不稳定的醌结构后与其他还原性基团（如氨基、巯基、羟基）形成共价键，从而能够牢固地粘附在许多基材表面（玻璃、金属、木头、石头等）。
附图说明
图1a是在普通玻璃基材的显微镜测试照片。
图1b是实施例1的显微镜测试照片。
图2a是普通玻璃基材的显微镜测试照片。
图2b是实施例2的显微镜测试照片。
图3a是普通玻璃基材的显微镜测试照片。
图3b是实施例3的显微镜测试照片。
图4a是在不锈钢基材的显微镜测试照片。
图4b是实施例4的显微镜测试照片。
图5a是在普通玻璃基材的显微镜测试照片。
图5b是实施例5的显微镜测试照片。
具体实施方式
下面通过具体实施实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
实施例1：将含有邻苯二酚基团的（甲基）丙烯酸酯单体，结构式如下：
溶于二氯甲烷中，配成1mg/mL的溶液，再将洗干净的玻璃基板浸入到溶液中，于10℃下，放置24小时后，取出，用二氯甲烷冲洗3次，再用氮气吹干保存，得到了具有底层分子膜的玻璃基材。
按照质量比配制下述溶液，取聚乙二醇甲基丙烯酸酯（350）40份，溶于60份的水中，配成溶液，再往溶液中加入1份光引发剂2959，混合均匀。将得到的单体溶液涂覆在具有底层分子膜的玻璃基板上，在紫外光的照射5分钟，光强为20mw/cm2。固化后，再用乙醇和水冲洗3次，吹干后就可得到有抗生物垢涂层的玻璃基板。将得到的抗生物垢玻璃基板进行抗细胞、蛋白质、细菌粘附测试，以普通未作处理的玻璃基板做参比对照。细胞粘附测试步骤：将抗生物垢涂层玻璃基材和普通玻璃基材用紫外光消毒30分钟，再放入磷酸缓冲溶液PBS(PH=7.4)平衡2小时，然后取出放入到装有L929小鼠成纤维细胞的培养液中，细胞浓度为3000cell/mL。培养液于5%CO2，37℃下培养24小时后，将基板取出，用PBS冲洗2次去离子冲洗3次，最后用2μM Hoechst染色用荧光显微镜观察。典型结果如图1所示。
实施例2：将含有邻苯二酚基团的单体结构式如图
溶于乙醇中，配成2mg/mL的溶液，再将洗干净的玻璃基板浸入到溶液中，于40℃下，放置16小时后，取出，用乙醇冲洗3次，再用氮气吹干保存，得到了具有底层分子膜的玻璃基材。
按照质量比配制下述溶液，取聚乙二醇甲基丙烯酸酯（900）20份，溶于80份的乙醇中，配成溶液，再往溶液中加入5份光引发剂1173，混合均匀。将得到的单体溶液涂覆在具有底层分子膜的玻璃基板上，在紫外光的照射1分钟，光强为10mw/cm2。固化后，再用乙醇和水冲洗3次，吹干后就可得到有抗生物垢涂层的玻璃基板。将得到的抗生物垢玻璃基板进行抗蛋白质粘附测试，以普通未作处理的玻璃基板做参比对照。蛋白质粘附测试步骤：将抗生物垢涂层玻璃基材和普通玻璃基材放入磷酸缓冲溶液PBS(PH=7.4)平衡2小时，再将样品放入荧光标记的牛血清白蛋白（FITC-BSA）溶液中，溶液浓度为1mM，24小时后将基板取出，用PBS冲洗2次去离子冲洗3次，采用激光扫描共聚焦显微镜观察。典型结果如图2所示。
实施例3：将含有邻苯二酚基团的单体结构式如图
溶于丙酮中，配成4mg/mL的溶液，再将洗干净的玻璃基板浸入到溶液中，于20℃下，放置12小时后，取出，用丙酮冲洗3次，再用氮气吹干保存，得到了具有底层分子膜的玻璃基材。
按照质量比配制下述溶液，取甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵30份，溶于70份的水中，配成溶液，再往溶液中加入2份光引发剂2959，混合均匀。将得到的单体溶液涂覆在具有底层分子膜的玻璃基板上，在紫外光的照射4分钟，光强为5mw/cm2。固化后，再用乙醇和水冲洗3次，吹干后就可得到有抗生物垢涂层的玻璃基板。将得到的抗生物垢玻璃基板进行抗细菌粘附测试，以普通未作处理的玻璃基板做参比对照。
细菌粘附附测试步骤：将抗生物垢涂层玻璃基材和普通玻璃基材用紫外光消毒30分钟，再放入磷酸缓冲溶液PBS(PH=7.4)平衡2小时，然后放入到金黄色葡萄球菌悬浮液中，浓度为109cell/mL，24小时后将基板取出，用PBS冲洗2次，去离子冲洗3次，最后用2μM Hoechst染色采用激光扫描共聚焦显微镜观察。典型结果如图3所示。
实施例4：将含有邻苯二酚基团的单体结构式如图
溶于乙醇中，配成5mg/mL的溶液，将洗干净的不锈钢基板浸入溶液中，于37℃下，放置16小时后取出，用乙醇冲洗2次，再于乙醇中超声30秒，最后用氮气吹干保存得到具有底层分子膜的不锈钢基板。
按照质量比，将聚乙二醇甲基丙烯酸酯（900）10份，溶于90份的乙醇中，加入5份的光引发剂2959，充分搅拌，混合均匀。将得到的溶液涂于具有底层分子膜的不锈钢基板上，在紫外光下照射5分钟，光强为10mw/cm2，固化后用乙醇和水冲洗3次，吹干，得到具有抗生物垢涂层的不锈钢基板。对得到的具有抗生物垢涂层的不锈钢基板进行细胞粘附测试，以纯净的不锈钢基板作参比对照，采用扫描电子显微镜（SEM）观察。测试步骤：将抗生物垢涂层不锈钢基材和普通不锈钢基材用紫外光消毒30分钟，再放入磷酸缓冲溶液PBS(PH=7.4)平衡2小时，然后取出放入到装有L929小鼠成纤维细胞的培养液中，细胞浓度为3000cell/mL。培养液于5%CO2，37℃下培养24小时后，将基板取出，用PBS冲洗2次去离子冲洗3次，最后采用乙醇固定细胞。典型结果如图4所示。
实施例5：将含有邻苯二酚基团的单体结构式如图
溶于二氯甲烷中，配成2mg/mL的溶液，再将洗干净的玻璃基板浸入到溶液中，于25℃下，放置24小时后，取出，用二氯甲烷冲洗2次，再放入二氯甲烷中超声15s，最后用氮气吹干保存，得到了具有底层分子膜的玻璃基材。
按质量比，取3-磺酸丙基（甲基）丙烯酸钾盐25份，溶于75份的水中，配成溶液，再往溶液中加入3份光引发剂2959，混合均匀。将得到的单体溶液涂覆在具有底层分子膜的玻璃基板上，在紫外光的照射3分钟，光强为15mw/cm2。固化后，用乙醇和水冲洗3次，吹干后就可得到有抗生物垢涂层的玻璃基板。
将得到的抗生物垢玻璃基板细菌粘附测试，以普通未作处理的玻璃基板做参比对照。细菌粘附附测试步骤：将抗生物垢涂层玻璃基材和普通玻璃基材用紫外光消毒30分钟，再放入磷酸缓冲溶液PBS(PH=7.4)平衡2小时，然后放入到大肠杆菌菌悬浮液中，浓度为109cell/mL，24小时后将基板取出，用PBS冲洗2次，去离子冲洗3次，最后用2μMHoechst染色采用激光扫描共聚焦显微镜观察。典型结果如图5所示。
Claims (6)
1.一种抗生物垢涂层的制备方法，其特征在于：该抗生物垢涂层，由底层分子膜和面层聚合物膜构成，底层采用自组装技术将含有邻苯二酚基团的（甲基）丙烯酸酯单体制备成分子膜，面层采用光固化技术将带有抗生物垢官能团的单体其溶液固化成聚合物膜，利用底层和面层双键分子间的聚合形成牢固的结合；
所述底层分子膜的制备，包括以下步骤：（1）将含有邻苯二酚基团的（甲基）丙烯酸酯单体溶于溶剂配成溶液，溶液浓度为1~5mg/mL；（2）将洗净的基材浸入到配得的溶液中，在10~40℃下，放置12~24小时后，取出用溶剂冲洗，最后吹干得到有底面分子膜的基材；
所述面层聚合物膜的制备，其特征在于，包括以下步骤：（1）将具有抗生物垢官能团的单体配成溶液，组成如下
溶剂 60~90
单体 40~10
光引发剂 1~5；
（2）在具有底面分子膜的基材上涂覆上单体溶液在紫外光下照射1~5分钟，其中光强为5~20mw/cm2。
2.根据权利要求1所述一种抗生物垢涂层的制备方法，其特征在于：含有邻苯二酚基团的（甲基）丙烯酸酯单体，具有如下结构式之一：
n=2,3或4。
3.根据权利要求1所述一种抗生物垢涂层的制备方法，其特征在于：基材为玻璃基基材和金属基基材。
4.根据权利要求1所述一种抗生物垢涂层的制备方法，其特征在于：所述具有抗生物垢功能的单体为基于聚乙二醇的各类（甲基）丙烯酸酯类单体，或者带有阴阳离子结构具有抗生物垢功能的（甲基）丙烯酸酯单体。
5.根据权利要求4所述一种抗生物垢涂层的制备方法，其特征在于：所述具有抗生物垢功能的单体为分子量350的聚乙二醇单（甲基）丙烯酸酯，分子量900的聚乙二醇单（甲基）丙烯酸酯聚乙二醇双（甲基）丙烯酸酯，3-磺酸丙基（甲基）丙烯酸钾盐或（甲基）丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵。
6.根据权利要求1所述一种抗生物垢涂层的制备方法，其特征在于：所述引发剂为2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮(1173)或2羟基-2-2-甲基-1-对羟乙基醚基苯基丙酮（2959）。
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