CN103623410A - 一种抑菌组合物、植入材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑菌组合物、涂覆有所述抑菌组合物的植入材料及其制备方法，所述抑菌组合物包括热塑性聚氨酯弹性体和抑菌剂。将所述抑菌组合物通过高压静电纺丝涂覆在植入材料形成抑菌涂层，得到具有抑菌功能的植入材料。本发明的抑菌组合物中热塑性聚氨酯弹性体能够有效固定抑菌剂。利用高压静电纺丝形成的“硬壳”结构即使在体内复杂环境下也不会发生溶胀泄露，能够更加有效地固定抑菌剂，其中的抑菌剂与材料结合稳固、不会被释放、生物毒性低且有良好的生物相容性。本发明的制备方法，工艺简单、易于操作、成本低廉、便于实现大规模生产。

Description

一种抑菌组合物、植入材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及植入材料技术领域，尤其涉及一种抑菌组合物、涂覆有所述抑菌组合物的植入材料及其制备方法。

背景技术

生物材料和人工器官已越来越广泛地应用于临床医学。在科学技术不断进步的社会，几乎每个人在一生中都有可能永久或暂时地在体内植入生物材料或人工器官。如外科缝合材料，各种侵入性导管，各种组织和器官的替用品：人工关节、人工心脏瓣膜、人工晶体乃至人工心肺肾等。而制约更广泛应用这些生物材料和人工器官的最重要原因是以生物材料为中心的感染(Biomaterial-centered infection，BCI)。因此，关于BCI的发病机制、临床特征、病理生理改变以及预防的研究，已显得越来越重要。

引起BCI的一个重要因素就是细菌定植。各种微生物（细菌等）经常从不同环境落到人体，并能在一定部位定居和不断生长、繁殖后代，这种现象通常称为“细菌定植”。一般来说，即是如细菌或酵母菌等微生物形成生物膜——即粘滑、胶水样的传染性细胞层。定植的微生物必须依靠人体不断供给营养物质才能生长和繁殖，进而对人体产生影响（如导致感染）。为了防止手术后感染，在术前常常先给病人施用各种强力的广谱抗生素，试图在“绝对无菌”条件下进行手术，以保证手术成功。也可以采用窄谱抗生素，有针对性地去除某一类细菌。植入材料作为一种异物，一旦发生感染，多数情况下需将其取出，特别是对于植入后较长时间发生感染者，一般都是缓慢的细菌定植造成的，已形成的纤维囊会阻碍抗生素作用的发挥。

将植入材料表面或结构做预先处理而使得微生物无法在植入材料表面粘附，已经作为一种更为广泛的手段备受人们关注。例如，将原本小孔隙的植入材料做成大孔隙尺寸，如大孔的PP疝气补片，使得巨噬细胞能够有效地进入孔隙间吞噬导致感染的微生物，然而此种方法对于结构复杂的骨科植入物或需要高支撑强度的植入材料是不适用的。又如，在植入材料表面上涂覆某些抑菌材料，如可降解的壳聚糖，从而防止细菌和酵母菌在该表面上寄生，阻碍其在该表面上定植，但由于壳聚糖属于生物提取物，很容易存在异体蛋白，因此导致过敏的患者人数增多，此外，壳聚糖在体内的降解速度很快，对于长期防止细菌定植的发生是不利的；或者，在植入材料表面直接涂覆某些抑菌剂从而阻止细菌定植，然而这些抑菌剂也具有一定程度的细胞毒性或生物毒性，在抑菌的同时会存在不同程度的释放，可能导致抑菌剂中毒。因此，选择合理的抑菌涂层，长期有效地阻止微生物定植是非常具有实际临床意义的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抑菌组合物、涂覆有所述抑菌组合物的植入材料及其制备方法，该抑菌组合物涂覆在植入材料表面形成抑菌涂层，其中的抑菌剂与材料结合稳固、不会被释放、生物毒性低且有良好的生物相容性；该制备方法可以在植入材料表面均匀成膜，其与植入材料结合牢固、不易脱落，因此对抑菌剂的固定效果良好。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

在第一方面，本发明提供一种抑菌组合物，包括热塑性聚氨酯弹性体和抑菌剂。

本发明采用的热塑性聚氨酯弹性体（Thermoplastic polyurethane，TPU）具有完全生物惰性，能经受暴露于含水环境、体温、血液和体液的生物化学腐蚀的考验，并能够有效阻止植入材料引起的一些并发症，如血液凝固、排异反应、感染和毒性化学物的浸出，因此已被美国食品和药物管理局（Food andDrug Administration，FDA）批准用于制造长期的植入材料。所述热塑性聚氨酯弹性体为医用级材料，重金属等残留量均应符合植入材料标准；其中，重金属总含量（以铅计）应≤300μg/g，单体残留应<2%，催化剂残留应<200μg/g。

优选地，所述热塑性聚氨酯弹性体的重均分子量为5万～50万，例如5万、6万、8万、10万、12万、15万、18万、20万、24万、25万、27万、30万、32万、35万、38万、40万、42万、45万、48万、49万或50万。

优选地，所述抑菌剂选自溶液型抑菌剂、对羟基苯甲酸酯类、阳离子表面活性剂、醇类抑菌剂和金属类抑菌剂。

更优选地，所述溶液型抑菌剂选自醋酸洗必泰、A.SAP；所述对羟基苯甲酸酯类选自羟苯甲酯和羟苯乙酯；所述阳离子表面活性剂选自苯扎氯铵和苯扎溴铵；所述醇类抑菌剂选自三氯叔丁醇；所述金属类抑菌剂选自纳米银和纳米锌。

上述抑菌剂可以单独使用一种，也可以组合使用两种以上，典型但非限定性的组合实例包括：醋酸洗必泰和A.SAP，羟苯甲酯和羟苯乙酯，苯扎氯铵和苯扎溴铵，苯扎氯铵、苯扎溴铵和三氯叔丁醇，纳米银和纳米锌，醋酸洗必泰和羟苯甲酯，羟苯乙酯和苯扎氯铵，苯扎溴铵和三氯叔丁醇，等等。

优选地，所述抑菌组合物中抑菌剂的重量含量为以热塑性聚氨酯弹性体重量计0.1%-1%，例如0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%或1.0%。

优选地，所述抑菌组合物还包括溶剂体系，所述溶剂体系为N,N-二甲基甲酰胺（N,N-Dimethylformamide，DMF）。本发明中，溶剂在最终的静电纺丝过程中会挥发掉，所以本发明的抑菌组合物可以是包含或不包含溶剂体系的组合物。

任选地，所述溶剂体系还包括四氢呋喃（Tetrahydrofuran，THF）、丁酮和NaCl水溶液中的一种或多种。

在第二方面，本发明提供如第一方面所述的抑菌组合物的制备方法，所述方法包括：将所述热塑性聚氨酯弹性体溶于溶剂体系中，配制成溶液，加入所述抑菌剂，超声分散并搅拌得到所述抑菌组合物。

优选地，所述溶剂体系包括N,N-二甲基甲酰胺，所述溶剂体系还任选地包括四氢呋喃（Tetrahydrofuran，THF）、丁酮和NaCl水溶液中的一种或多种。

优选地，所述溶液中所述热塑性聚氨酯弹性体的浓度为5-20%（w/v），例如6%（w/v）、8%（w/v）、10%（w/v）、12%（w/v）、14%（w/v）、16%（w/v）、18%（w/v）或19%（w/v），其中重量（w）以单位克（g）计，体积（v）以单位毫升（mL）计，重量/体积（w/v）以单位克/毫升（g/mL）计。

优选地，所述超声分散的时间为10-20min，例如12min、14min、16min、18min或19min。

优选地，所述搅拌的时间为2-5h，例如2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h或5h。

通过上述方法制备的抑菌组合物，所述热塑性聚氨酯弹性体与抑菌剂充分均匀混合，利于高压静电纺丝时均匀成膜。

在第三方面，本发明提供一种表面涂覆有如第一方面所述的抑菌组合物的植入材料。

优选地，所述植入材料是通过高压静电纺丝将所述抑菌组合物涂覆在其表面得到的。

热塑性聚氨酯弹性体由于其较好的生物和化学稳定性，可选溶解溶剂较少，传统的溶液镀膜会导致涂覆不均匀。这种材料与抑菌剂的结合力也较弱，利用高压静电纺丝，其特殊的成膜工艺是纤维外部先固化，形成的“硬壳”结构即使在体内复杂环境下也不会发生溶胀泄露，能够有效地固定抑菌剂；通过调节电场、喷射流可以在任意形状的材料表面均匀成膜，由于其无纺形式连续成膜，因而能很好的与植入材料结合，不易脱落。

优选地，所述植入材料为人工关节、人工心脏瓣膜、人工晶体、人工心、人工肺或人工肾。

在第四方面，本发明提供如第三方面所述的植入材料的制备方法，所述方法包括：

将所述抑菌组合物注入注射器中，加上不锈钢针头，采用电压为10～30KV正电场高压电源，保持溶液流速为1～5mL/h，接收距离为5～25cm，将需要涂覆的植入材料连接电压为100-800V的负电场高压电源，进行涂覆，最后将涂覆完毕的植入材料室温真空干燥24-48h。

上述植入材料的制备方法中，正电场高压电源的电压可以是12KV、15KV、18KV、22KV、25KV、27KV或29KV；溶液流速可以是1.5mL/h、2mL/h、2.5mL/h、3mL/h、3.5mL/h、4mL/h或4.5mL/h；接收距离可以是6cm、7cm、9cm、11cm、13cm、15cm、17cm、19cm、21cm、23cm或24cm；负电场高压电源可以是100V、200V、300V、400V、500V、600V、700V或800V；真空干燥时间可以是25h、27h、29h、31h、35h、38h、40h、42h、44h或46h。

作为本发明的一个优选技术方案，所述方法包括：

（1）将所述热塑性聚氨酯弹性体溶于所述溶剂体系中，配制成浓度为5-20%（w/v）的溶液，加入重量含量为所述热塑性聚氨酯弹性体重量含量的0.1%-1%的抑菌剂，超声分散10-20min，并搅拌2-5h，得到所述抑菌组合物；

（2）将所述抑菌组合物的溶液注入注射器中，加上不锈钢针头，采用电压为10～30KV正电场高压电源，保持溶液流速为1～5mL/h，接收距离为5～25cm，将需要涂覆的植入材料连接电压为100-800V的负电场高压电源，进行涂覆，最后将涂覆完毕的植入材料室温真空干燥24-48h。

在第五方面，本发明提供如第四方面所述的制备方法制得的植入材料。

本发明的有益效果为：本发明的抑菌组合物采用热塑性聚氨酯弹性体与抑菌剂组合，其中热塑性聚氨酯弹性体能够有效固定抑菌剂。此外，利用高压静电纺丝，其特殊的成膜工艺是纤维外部先固化，形成的“硬壳”结构即使在体内复杂环境下也不会发生溶胀泄露，能够更加有效地固定抑菌剂，其中的抑菌剂嵌入材料中、完全不被释放、生物毒性低且有良好的生物相容性；利用高压静电纺丝可以在任意形状的植入材料表面均匀成膜，其与植入材料结合牢固、不易脱落，因此对抑菌剂的固定效果极好；本发明的制备方法，工艺简单、易于操作、成本低廉、便于实现大规模生产。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述。本领域技术人员将会理解，以下实施例仅为本发明的优选实施例，以便于更好地理解本发明，因而不应视为限定本发明的范围。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所用的实验材料，如无特殊说明，均为自常规生化试剂厂商购买得到的。

实施例1

按照如下方法制备具有抑菌功能的植入材料涂层：

（1）配制热塑性聚氨酯弹性体和抑菌剂的混合溶液：将美国themedics公司研制的20万分子量的热塑性聚氨酯弹性体（TPU）溶于DMF及丁酮的混合溶剂（其中DMF与丁酮的体积比为2:1），配制成浓度为15%（W/V）的混合溶液20ml，在其中加入浓度为10%的醋酸洗必泰溶液0.06ml，按照抑菌有效成分计算，抑菌剂重量含量为以聚合物重量计0.2%；超声20分钟后使其均匀分散，室温搅拌4小时。

（2）制备复合抑菌涂层：将上述混合溶液，注入5ml注射器中，加上5号不锈钢针头，采用电压为25KV的正电场高压电源，溶液流速为2mL/h，接收距离为18cm；将需要涂覆的疝气补片置于与电压为100V的负电场高压电源连接的可旋转的金属导体棒上，旋转速度为100r/min，纺丝10米后，将涂覆完毕的材料室温真空干燥24小时，除去残留溶剂，并在4℃干燥箱中保存。

按照ISO11737（2009）进行抑菌实验，上述制备的抑菌涂层进行细菌培养3天后，表面无可检测活菌数，表面抑菌率达99.99%以上。此外，将其置于37℃的磷酸盐缓冲液（PBS溶液）中半年，未检测到醋酸洗必泰的释放。按照GBT16886.5（2003）中医疗器械生物学评价第5部分进行体外细胞毒性试验，3T6细胞培养实验中，3T6细胞不会在涂层材料表面粘附，在含涂层的细胞培养液中生长良好，与培养皿贴壁良好，证明得到的抑菌涂层，能够有效阻止生物膜在植入材料表面形成，并且有良好的生物相容性。

实施例2

按照如下方法制备具有抑菌功能的植入材料涂层：

（1）配制热塑性聚氨酯弹性体和抑菌剂的混合溶液：将5万分子量的热塑性聚氨酯弹性体（TPU）溶于DMF及丁酮的混合溶剂（其中DMF与丁酮的体积比为2:1），配制成浓度为20%（W/V）的混合溶液20ml，在其中加入浓度为10%的醋酸洗必泰溶液0.04ml，按照抑菌有效成分计算，抑菌剂重量含量为以聚合物重量计0.1%；超声10分钟后使其均匀分散，室温搅拌5小时。

（2）制备复合抑菌涂层：将上述混合溶液，注入5ml注射器中，加上5号不锈钢针头，采用电压为10KV的正电场高压电源，溶液流速为5mL/h，接收距离为5cm；将需要涂覆的疝气补片置于与电压为100V的负电场高压电源连接的可旋转的金属导体棒上，旋转速度为100r/min，纺丝10米后，将涂覆完毕的材料室温真空干燥36小时，除去残留溶剂，并在4℃干燥箱中保存。

按照ISO11737（2009）进行抑菌实验，上述制备的抑菌涂层进行细菌培养3天后，表面无可检测活菌数，表面抑菌率达99.99%以上。此外，将其置于37℃的磷酸盐缓冲液（PBS溶液）中半年，未检测到醋酸洗必泰的释放。按照GBT16886.5（2003）中医疗器械生物学评价第5部分进行体外细胞毒性试验，3T6细胞培养实验中，3T6细胞不会在涂层材料表面粘附，在含涂层的细胞培养液中生长良好，与培养皿贴壁良好，证明得到的抑菌涂层，能够有效阻止生物膜在植入材料表面形成，并且有良好的生物相容性。

实施例3

按照如下方法制备具有抑菌功能的植入材料涂层：

（1）配制热塑性聚氨酯弹性体和抑菌剂的混合溶液：将50万分子量的热塑性聚氨酯弹性体（TPU）溶于DMF及四氢呋喃的混合溶剂（其中DMF与四氢呋喃的体积比为2:1），配制成浓度为5%（W/V）的混合溶液20ml，在其中加入浓度为10%的苯扎氯铵溶液0.1ml，按照抑菌有效成分计算，抑菌剂重量含量为以聚合物重量计1%；超声20分钟后使其均匀分散，室温搅拌2小时。

（2）制备复合抑菌涂层：将上述混合溶液，注入5ml注射器中，加上5号不锈钢针头，采用电压为30KV的正电场高压电源，溶液流速为1mL/h，接收距离为25cm；将需要涂覆的疝气补片置于与电压为800V的负电场高压电源连接的可旋转的金属导体棒上，旋转速度为100r/min，纺丝10米后，将涂覆完毕的材料室温真空干燥48小时，除去残留溶剂，并在4℃干燥箱中保存。

按照ISO11737（2009）进行抑菌实验，上述制备的抑菌涂层进行细菌培养3天后表面无可检测活菌数，表面抑菌率达99.99%以上。此外，将其置于37℃的磷酸盐缓冲液（PBS溶液）中半年，未检测到苯扎氯铵的释放。按照GBT16886.5（2003）中医疗器械生物学评价第5部分进行体外细胞毒性试验，3T6细胞培养实验中，3T6细胞不会在涂层材料表面粘附，在含涂层的细胞培养液中生长良好，与培养皿贴壁良好，证明得到的抑菌涂层，能够有效阻止生物膜在植入材料表面形成，并且有良好的生物相容性。

实施例4

按照如下方法制备具有抑菌功能的植入材料涂层：

（1）配制热塑性聚氨酯弹性体和抑菌剂的混合溶液：将35万分子量的热塑性聚氨酯弹性体（TPU）溶于DMF的溶剂，配制成浓度为10%（W/V）的混合溶液20ml，在其中加入浓度为1%的A.SAP溶液0.5ml，按照抑菌有效成分计算，抑菌剂重量含量为以聚合物重量计0.25%；超声20分钟后使其均匀分散，室温搅拌4小时。

（2）制备复合抑菌涂层：将上述混合溶液，注入5ml注射器中，加上5号不锈钢针头，采用电压为20KV的正电场高压电源，溶液流速为2mL/h，接收距离为18cm；将需要涂覆的疝气补片置于与电压为100V的负电场高压电源连接的可旋转的金属导体棒上，旋转速度为100r/min，纺丝10米后，将涂覆完毕的材料室温真空干燥24小时，除去残留溶剂，并在4℃干燥箱中保存。

按照ISO11737（2009）进行抑菌实验，上述制备的抑菌涂层进行细菌培养3天后，表面无可检测活菌数，表面抑菌率达99.99%以上。此外，将其置于37℃的磷酸盐缓冲液（PBS溶液）中半年，未检测到A.SAP的释放。按照GBT16886.5（2003）中医疗器械生物学评价第5部分进行体外细胞毒性试验，3T6细胞培养实验中，3T6细胞不会在涂层材料表面粘附，在含涂层的细胞培养液中生长良好，与培养皿贴壁良好，证明得到的抑菌涂层，能够有效阻止生物膜在植入材料表面形成，并且有良好的生物相容性。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细特征以及详细方法，但本发明并不局限于上述详细特征以及详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细特征以及详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明选用组分的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种抑菌组合物，其特征在于，所述抑菌组合物包括热塑性聚氨酯弹性体和抑菌剂。

2.根据权利要求1所述的抑菌组合物，其特征在于，所述热塑性聚氨酯弹性体的重均分子量为5万～50万；

优选地，所述抑菌剂选自溶液型抑菌剂、对羟基苯甲酸酯类、阳离子表面活性剂、醇类抑菌剂和金属类抑菌剂；

更优选地，所述溶液型抑菌剂选自醋酸洗必泰、A.SAP；所述对羟基苯甲酸酯类选自羟苯甲酯和羟苯乙酯；所述阳离子表面活性剂选自苯扎氯铵和苯扎溴铵；所述醇类抑菌剂选自三氯叔丁醇；所述金属类抑菌剂选自纳米银和纳米锌。

3.根据权利要求1或2所述的抑菌组合物，其特征在于，所述抑菌组合物中抑菌剂的重量含量为以热塑性聚氨酯弹性体重量计0.1%-1%。

4.根据权利要求1-3任一项所述的抑菌组合物，其特征在于，所述抑菌组合物还包括溶剂体系，所述溶剂体系包括N,N-二甲基甲酰胺；

任选地，所述溶剂体系还包括四氢呋喃、丁酮和NaCl水溶液中的一种或多种。

5.如权利要求1-4任一项所述的抑菌组合物的制备方法，其特征在于，所述方法包括：将所述热塑性聚氨酯弹性体溶于溶剂体系中，配制成溶液，加入所述抑菌剂，超声分散并搅拌得到所述抑菌组合物；

优选地，所述溶剂系统包括N,N-二甲基甲酰胺，所述溶剂系统还任选地包括四氢呋喃、丁酮和NaCl水溶液中的一种或多种；

优选地，所述溶液中所述热塑性聚氨酯弹性体的浓度为5-20%（w/v）；

优选地，所述超声分散的时间为10-20min；

优选地，所述搅拌的时间为2-5h。

6.一种表面涂覆有如权利要求1-4任一项所述的抑菌组合物的植入材料。

7.根据权利要求6所述的植入材料，其特征在于，所述植入材料是通过高压静电纺丝将所述抑菌组合物涂覆在其表面得到的；

优选地，所述植入材料为人工关节、人工心脏瓣膜、人工晶体、人工心、人工肺或人工肾。

8.如权利要求6或7所述的植入材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

将所述抑菌组合物注入注射器中，加上不锈钢针头，采用电压为10～30KV正电场高压电源，保持溶液流速为1～5mL/h，接收距离为5～25cm，将需要涂覆的植入材料与电压为100-800V的负电场高压电源连接，进行涂覆，最后将涂覆完毕的植入材料室温真空干燥24-48h。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述抑菌组合物是通过如下步骤得到的：

将所述热塑性聚氨酯弹性体溶于所述溶剂体系中，配制成浓度为5-20%（w/v）的溶液，加入重量含量为以所述热塑性聚氨酯弹性体重量计0.1%-1%的抑菌剂，超声分散10-20min，并搅拌2-5h，得到所述抑菌组合物。

10.一种通过权利要求8或9所述的制备方法制得的植入材料。