CN103665414A

CN103665414A - 辐照法制备纳米Ag/聚合物抗菌膜的方法

Info

Publication number: CN103665414A
Application number: CN201310575492.2A
Authority: CN
Inventors: 彭朝荣; 王静霞; 陈浩; 陈竹平; 倪茂君; 陈屿恒; 包雯婷; 刘思阳; 黄科; 赵星; 郭丹
Original assignee: SICHUAN INSTITUTE OF ATOMIC ENERGY
Current assignee: SICHUAN INSTITUTE OF ATOMIC ENERGY
Priority date: 2013-11-18
Filing date: 2013-11-18
Publication date: 2014-03-26

Abstract

本发明公开了一种利用⁶⁰Co-γ射线或电子束辐照制备纳米Ag/聚合物抗菌膜的方法，取NVP单体溶于乙醇、甲醇、水、丙酮其中一种或任意两种的混合物，再加入AgNO3溶液，搅拌均匀，将聚合物膜放入混合溶液，抽真空后置于密封反应容器进行辐照，取出聚合物膜，经水洗、干燥得到纳米Ag/聚合物抗菌膜。本发明在辐照处理过程中不需加入任何的引发剂和还原剂，在使Ag⁺还原为纳米Ag的同时并引发NVP在聚合物表面聚合，其工艺简单，过程可控，产率高，制的Ag/聚合物抗菌膜亲水性和安全性好，且24小时对大肠杆菌10⁷CFU/ml的抑菌率可达97.7%~100%。

Description

辐照法制备纳米Ag/聚合物抗菌膜的方法

技术领域

本发明涉及纳米生物材料领域，具体涉及的是一种采用⁶⁰Co-γ射线或电子束辐照制备纳米Ag生物医用聚合物抗菌膜的方法。

背景技术

医用材料，尤其是植入材料在长期使用过程中，易发生微生物感染。微生物首先粘附在材料表面，形成的生物膜能够保护微生物免受抗生素破坏和宿主免疫系统清除，促进其增殖，从而危害人体健康。医用抗菌材料通过阻隔病原微生物、将其抑制或杀灭，从而有效降低机体患病的风险。良好的医用抗菌材料需具备以下特征：（1）材料对致病微生物具有明显的抗菌抑菌作用，能在较长的时间内保持抗菌性能；（2）材料具有优良的物理性能，在人体组织中有一定的强度和柔韧性；（3）材料具有良好的生物相容性，对身体无毒无害，对环境友好；（4）材料自身清洁环保，应用方便，最好具有一定自降解能力。

纳米银具有高效、广谱的抗微生物能力，在极低的含量下即可以抑制微生物生长。其抑菌机理如下：银离子使酶等蛋白质的－SH偶联，使DNA分子丧失复制能力，从而抑制微生物增殖。并且，纳米银对人体正常细胞毒性很低，因此可用于生物医用材料。

N-乙烯基吡咯烷酮是一种亲水性的单体，其聚合物聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）由于无毒且具有优异的生物相容性和吸水性，因而已被广泛应用于生物医用领域，以改善材料的生物相容性和亲水性。

目前纳米银用于医用材料多采用表面修饰或者表面涂覆含有纳米银抗菌剂的方法，其缺点是抗菌成分的表面覆盖效率较低和较易被洗脱。也有研究把纳米银掺杂入高分材料的母料中，再挤出成型形成医用材料，如导管材料等。这种方法的缺点是，采用掺杂混合的方式很容易引起纳米银的团聚，进而失去其特殊的纳米尺度抗菌效应。同时这种方法对设备要求较高，而且还可能改变高分子材料的机械性能等。

本发明研究发现，通过⁶⁰Co-γ射线或电子束辐照，可使PVP接枝在聚合物膜表面改善材料的亲水性和生物相容性；并且，在纳米银的制备过程中，PVP又可作为纳米银的稳定剂。由于PVP是线形大分子，整个分子的柔顺性很好，其亲油性的亚甲基非极性基团能很好的吸附包裹于疏水性的纳米Ag粒子表面，使生成的纳米银粒子表面被大量的PVP分子覆盖，既控制了纳米银粒子的粒径，又阻碍了纳米银粒子团聚，从而起到很好的分散和稳定纳米银溶胶的作用，其化学反应的原理及过程如下：第一步，PVP分子中极性酰胺中的N原子和O原子的孤对电子占据Ag^＋的两个sp轨道，在水溶液中形成Ag⁺-PVP配合物；第二步，形成的Ag^＋-PVP配合物中的Ag^＋从PVP分子得到了电子云，电子云密度增大，形成了Ag晶核；第三步，PVP吸附在纳米Ag晶核表面后，由于PVP的空间位阻效应，阻止了颗粒的生长和团聚，且能够使晶核各方向的表面能趋于一致，因此能够得到粒径较小的球形纳米银粒子。同时PVP的包裹也防止了新生的纳米Ag粒子被氧化。

由此可见，通过辐照接枝技术在聚合物膜表面接枝PVP链段，使PVP与纳米Ag粒子一同引入聚合物膜表面，制备含纳米银的改性聚合物膜，既提高了材料的亲水性，又使材料具有抗菌的功能。

目前针对纳米Ag及辐照法应用于医用材料的专利申请主要有：

1、申请号201110212173.6的发明专利提供了一种医用高分子基的纳米银材料的制备方法，其包括如下步骤：a.在室温下，按照医用高分子材料和有机溶剂质量比1:3～1:30的比例，配制医用高分子有机溶液，使粘度范围控制在150～1500cp；b.将质量浓度为0.01%～3%的Ag/TiO₂晶须加入步骤a配置的医用高分子溶液中，强烈搅拌，以使二者充分混合均匀；c.控制温度和湿度在特定条件下，将步骤b获得的混合溶液倒入器皿中，采用溶剂挥发法制备薄膜；其中Ag/TiO₂晶须根据自身重力形成在高分子溶液中的浓度梯度分布；d.溶剂完全挥发成膜后，获得医用高分子基的纳米银复合材料，将其清洗干净后，真空干燥至重量恒定后保存使用。由于Ag/TiO₂晶须在复合材料中的浓度呈梯度分布，使材料能够实现银离子长久释放，从而具有长时间的抗菌效果。即该方法就是将Ag/TiO₂晶须加入医用高分子溶液中，搅拌均匀后挥发溶剂制成含纳米银的抗菌医用薄膜。

2、申请号201010149947.0的发明专利公开了一种纳米银功能性水胶体医用敷料的制备方法。其包括四个步骤：一，取聚异丁烯医用热熔胶40-90重量份在搅拌机中加温130℃-150℃溶解，形成A组份；二，在常温下将羧甲基纤维素钠10-35重量份、果胶0.5-8重量份和纳米银0.1-0.3重量份或纳米银分散体0.5-1重量份，混合成固态粉体，粉体粒径为150目-300目，该粉体为B组份；三，将搅拌好的B组份缓缓加入A组份，进行真空恒温搅拌，温度为120℃-130℃，时间为60-90分钟，然后注塑成型在离型纸或PU膜上；四，将成型的水胶体进行老化处理，老化处理温度为30℃-65℃，老化处理时间为72小时，然后模压成型为适合各种创口的形状，再进行模切包装成为产品。本发明可克服银微粒子氧化后容易形成黑斑的弊端，适于感染严重的创口护理。即先将聚异丁烯加温溶解，之后将羧甲基纤维素钠、果胶、纳米银混合粉体加入聚异丁烯熔体中，最后注塑成型、老化、模压形成。

可以看出，上述2件专利技术都是以共混的方法将纳米Ag直接加入高分子材料中，由于纳米银与聚合物材料之间为物理包裹，因而结合力不强，且共混的方法使纳米粒子分布也不均匀，导致其在应用上受到限制。

3、申请号200910152700.1的发明专利公开了一种抗菌水凝胶敷料的制备方法，包括以下步骤：1)将双端羟基聚乙二醇溶于四氢呋喃中，加入丙烯酰氯后在氮气保护下于室温中反应；将所得的反应产物依次经过滤、蒸发、洗涤和浓缩，得聚乙二醇双丙烯酸酯交联剂；2)将含有Ag+的ZnO纳米颗粒配制成质量浓度为15～30%的纳米水溶液，Ag∶Zn的摩尔比=1∶4；然后将天然高分子材料溶入纳米水溶液中，得含有纳米Ag的天然高分子水溶液；3)将丙烯酰胺、聚乙二醇双丙烯酸酯交联剂和含有纳米Ag的天然高分子水溶液相混合，然后室温下置于⁶⁰Co源辐照交联，得抗菌水凝胶敷料。采用该方法制备的抗菌水凝胶敷料是一种具有抗菌性能和水化性能的多孔网状敷料。即将丙烯酰胺、聚乙二醇双丙烯酸酯交联剂和含有纳米银离子的天然高分子水溶液相混合，然后室温下置于⁶⁰Co 源辐照交联形成水凝胶。

4、申请号201210143562.2的发明专利公开了一种纳米银抗菌水凝胶及其制备方法。该抗菌水凝胶不含有化学交联剂剂、交联敏化剂和交联引发剂，孔隙率在90%以上，交联度在50%以上，按重量计含有3%～20%的天然高分子或其衍生物、0～20%的合成高分子和0.005%～0.2%的纳米银，是将天然高分子或其衍生物、合成高分子、含银离子的化合物和水共混，然后采用辐射交联方法制备而成，具有优良的生物相容性、均匀的纳米银分布和缓释能力，能够有效抑制大肠杆菌等细菌。即将天然高分子、合成高分子、含银离子的化合物和水共混，然后采用辐射交联的方法制备成含银抗菌水凝胶。

上述两种方法虽然都是通过辐照使单体聚合形成水凝胶，但都是通过含银水溶液与高分子聚合物共混，再采用辐照交联的方法制备抗菌水凝胶。由于这两种方法都使纳米银包裹在水凝胶内部，因此在相同银含量下，其抗菌性能显然不如将纳米银接枝在聚合物表面的抗菌性能强。对于此，目前尚未见以辐射接枝法在聚合物膜表面引入纳米银，尤其是以辐射法一步改善聚合物膜的亲水性和抗菌性的相关报道，亦未有采用PVP改善聚合物膜性能的同时，并作为稳定剂在聚合物膜表面引入纳米银的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用⁶⁰Co-γ射线或电子束辐照制备纳米Ag/聚合物抗菌膜的方法。该方法采用辐照接枝技术，通过辐照引发不但能促使N-乙烯基吡咯烷酮单体（NVP）聚合形成聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）并接枝在聚合物膜表面，同时，辐照还可使Ag⁺还原成纳米Ag与PVP配位形成络合物接枝于聚合物表面，即通过一步法在聚合物表面引入了亲水性的PVP同时又引入了抗菌的纳米Ag，制得的纳米Ag/聚合物抗菌膜的抗菌效果好。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：

辐照法制备纳米Ag/聚合物抗菌膜的方法，其特征在于包括以下步骤：

A、将乙醇、甲醇、水、丙酮其中一种或任意两种的混合物，与N-乙烯基吡咯烷酮单体以1:2～1:10的体积比进行混合，得混合液；

B、于步骤A的混合液中加入0.01～1mol/L的AgNO₃水溶液，搅拌混合均匀，得混合溶液，混合溶液中AgNO₃的含量控制在0.07g～6.8g/mL

C、将聚合物膜放入步骤B的混合溶液中，抽真空、充氮气反复操作5次，密封反应容器，以⁶⁰Co-γ射线或电子束辐照，辐照剂量为1kGy-30kGy；

D、取出聚合物膜，蒸馏水反复冲洗，经真空37℃干燥得到纳米Ag/聚合物抗菌膜。

步骤A中所述任意两种混合物的体积比为1:1～1:10。

步骤D中所述聚合物膜选自聚乳酸（PLA）膜、聚氨酯（PU）膜、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）膜、聚己内酯（PCL）膜、聚羟基脂肪酸酯（PHA）膜、聚碳酸酯（PC）膜或聚乙烯醇（PVA）膜。

步骤D中所述纳米Ag的粒径为30～80nm。

步骤D中所述纳米Ag/聚合物抗菌膜的含银量为0.2～10 wt%。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1、本发明采用⁶⁰Co-γ射线或电子束辐照，且在不需加入任何引发剂和还原剂的条件下，就可使Ag⁺还原为纳米Ag并引发NVP在聚合物表面的聚合；聚合的PVP既改善了聚合物膜表面的亲水性，又与纳米银配位，同时还限制了Ag粒子的团聚从而得到纳米尺寸的Ag，而且纳米Ag还通过PVP被引入到聚合物表面，即通过一步法就实现了具有亲水性和抗菌性的聚合物抗菌膜的制备，且抗菌效果好。

2、本发明由于未加入任何的交联剂、引发剂及还原剂，因而制得的聚合物膜材料更加纯净，更有利于在生物医用领域的应用，安全性好。

3、在本发明的辐照过程中由于不需添加还原剂、引发剂和交联剂，因此制备工艺简单，过程可控，可在常温常压下进行反应和操作，制备周期短，产率高，安全节能，在生物医用领域具有广泛的应用前景。

4、由于本发明是原位辐照接枝还原，即Ag还原后马上与PVP形成配位键，并接枝在聚合物膜上，因而不会出现纳米银团聚的现象，由此制得的纳米Ag/聚合物抗菌膜膜表面Ag的粒径为30～80nm，且分散均匀，同时PVP使聚合物膜表面亲水性提高了15%，抗菌膜24小时对大肠杆菌10⁷CFU/ml的抑菌率达 97.7%~100%。

附图说明

图1为本发明制备纳米Ag/PLA抗菌膜的化学反应原理及过程示意图

图2为本发明纳米Ag/聚合物抗菌膜中纳米Ag的透射电镜图

图3为本发明纳米Ag/聚合物抗菌膜中纳米Ag的扫描电镜图

图4为本发明纳米Ag/PLA抗菌膜的不同PVP接枝率的接触角图

（a：PLA膜，b：Ag/PLA-2%，c：Ag/PLA-7%，d：Ag/PLA-15%）

图5为本发明不同含银量的纳米Ag/聚合物抗菌膜的抗菌实验效果图

（a：PE膜，b：0.2wt%，c：0.8wt%，d：1.2wt%，e：2.4wt%，f：3.6wt%，g：5.5wt%，h：10.0wt%）。

具体实施方式

实施例1

取10ml的NVP单体，溶于5ml的乙醇中，再加入0.1mol/L的AgNO3溶液10ml，将混合溶液搅拌均匀，将PLA膜放入混合溶液，抽真空、充氮气反复操作5次，密封反应容器，⁶⁰Co-γ射线辐照5kGy，取出PLA膜，蒸馏水反复冲洗，37℃真空干燥，得到浅黄色透明纳米Ag/PLA抗菌膜。抗菌膜的含银量为1.2wt%，吸水率为 4.3%。

按照中华人民共和国轻工行业标准QB/T 2591-2003进行测试，该抗菌膜24小时对大肠杆菌10⁷CFU/ml的抑菌率为99.1%。

实施例2

取15ml的NVP单体，溶于5ml的乙醇和水的溶液中（乙醇和水的体积比为1:1），再加入0.4mol/L的AgNO3溶液5ml，将混合溶液搅拌均匀，将PLGA膜放入混合溶液，抽真空、充氮气反复操作5次，密封反应容器，⁶⁰Co-γ射线辐照1kGy，取出PLGA膜，蒸馏水反复冲洗，37℃真空干燥，得到深黄色透明纳米Ag/PLGA抗菌膜。抗菌膜的含银量为0.2wt%，吸水率为2.0%。

按照中华人民共和国轻工行业标准QB/T 2591-2003进行测试，该抗菌膜24小时对大肠杆菌10⁷CFU/ml的抑菌率为97.7%。

实施例3

取10ml的NVP单体，溶于5ml的乙醇中，再加入1.0mol/L的AgNO3溶液10ml，将混合溶液搅拌均匀，将PU膜放入混合溶液，抽真空、充氮气反复操作5次，密封反应容器，⁶⁰Co-γ射线辐照20kGy，取出PU膜，蒸馏水反复冲洗,37℃真空干燥，得到灰黑色纳米Ag/PU抗菌膜。抗菌膜的含银量为10.0wt%，吸水率为15%。

按照中华人民共和国轻工行业标准QB/T 2591-2003进行测试，该抗菌膜24小时对大肠杆菌10⁷CFU/ml的抑菌率为100%。

实施例4

取10ml的NVP单体，溶于5ml的乙醇和丙酮的溶液中（乙醇和丙酮的体积比为3:1），再加入0.4mol/L的AgNO3溶液10ml，将混合溶液搅拌均匀，将PCL膜放入混合溶液，抽真空、充氮气反复操作5次，密封反应容器，电子束辐照10kGy，取出PCL膜，蒸馏水反复冲洗，37℃真空干燥，得到深黄色透明纳米Ag/PCL抗菌膜。抗菌膜的含银量为5.5wt%，吸水率为4.2%。

实施例5

取10ml的NVP单体，溶于5ml的乙醇和甲醇溶液中（乙醇和甲醇的体积比为1:1），再加入0.5mol/L的AgNO3溶液10ml，将混合溶液搅拌均匀，将PHA膜放入混合溶液，抽真空、充氮气反复操作5次，密封反应容器，电子束辐照15kGy，取出PHA膜，蒸馏水反复冲洗，37℃真空干燥，得到黄色透明纳米Ag/PHA抗菌膜。抗菌膜的含银量为3.6wt%，吸水率为 10%。

实施例6

取10ml的NVP单体，溶于5ml的甲醇中，再加入0.01mol/L的AgNO3溶液10ml，将混合溶液搅拌均匀，将PC膜放入混合溶液，抽真空、充氮气反复操作5次，密封反应容器，电子束辐照30kGy，取出PC膜，蒸馏水反复冲洗，37℃真空干燥，得到淡黄色透明纳米Ag/PC抗菌膜。抗菌膜的含银量为0.8wt%，吸水率为 13%。

按照中华人民共和国轻工行业标准QB/T 2591-2003进行测试，该抗菌膜24小时对大肠杆菌10⁷CFU/ml的抑菌率为98.2%。

实施例7

取10ml的NVP单体，溶于1ml的乙醇中，再加入0.3mol/L的AgNO3溶液14ml，将混合溶液搅拌均匀，将PVA膜放入混合溶液，抽真空、充氮气反复操作5次，密封反应容器，电子束辐照15kGy，取出PVA膜，蒸馏水反复冲洗，37℃真空干燥，得到黄色透明纳米Ag/PVA抗菌膜。抗菌膜的含银量为2.4wt%，吸水率为 7%。

实施例8

取10ml的NVP单体，溶于2ml的水中，再加入0.05mol/L的AgNO3溶液13ml，将混合溶液搅拌均匀，将PLA膜放入混合溶液，抽真空、充氮气反复操作5次，密封反应容器，电子束辐照12kGy，取出PLA膜，蒸馏水反复冲洗，37℃真空干燥，得到浅黄色透明纳米Ag/PLA抗菌膜。抗菌膜的含银量为0.5wt%，吸水率为3%。

按照中华人民共和国轻工行业标准QB/T 2591-2003进行测试，该抗菌膜24小时对大肠杆菌10⁷CFU/ml的抑菌率为98.0%。

实施例9

取14ml的NVP单体，溶于2ml的丙酮中，再加入0.8mol/L的AgNO3溶液9ml，将混合溶液搅拌均匀，将PHA膜放入混合溶液，抽真空、充氮气反复操作5次，密封反应容器，⁶⁰Co-γ射线辐照25kGy，取出PHA膜，蒸馏水反复冲洗，37℃真空干燥，得到浅黄色透明纳米Ag/PHA抗菌膜。抗菌膜的含银量为8.8wt%，吸水率为12.0%。

实施例10

取12ml的NVP单体，溶于3ml的甲醇和水的溶液中（甲醇和水的体积比为1:5），再加入0.6mol/L的AgNO3溶液10ml，将混合溶液搅拌均匀，将PC膜放入混合溶液，抽真空、充氮气反复操作5次，密封反应容器，⁶⁰Co-γ射线辐照25kGy，取出PC膜，蒸馏水反复冲洗，37℃真空干燥，得到浅黄色透明纳米Ag/PC抗菌膜。抗菌膜的含银量为4.5wt%，吸水率为9%。

实施例11

取15ml的NVP单体，溶于5ml的甲醇和水的溶液中（甲醇和丙酮的体积比为7:1），再加入0.7mol/L的AgNO3溶液5ml，将混合溶液搅拌均匀，将PVA膜放入混合溶液，抽真空、充氮气反复操作5次，密封反应容器，⁶⁰Co-γ射线辐照25kGy，取出PVA膜，蒸馏水反复冲洗，37℃真空干燥，得到浅黄色透明纳米Ag/PVA抗菌膜。抗菌膜的含银量为8.0wt%，吸水率为14%。

实施例12

取15ml的NVP单体，溶于6ml的丙酮和水的溶液中（丙酮和水的体积比为7:1），再加入0.5mol/L的AgNO3溶液4ml，将混合溶液搅拌均匀，将PLA膜放入混合溶液，抽真空、充氮气反复操作5次，密封反应容器，电子束辐照25kGy，取出PLA膜，蒸馏水反复冲洗，37℃真空干燥，得到浅黄色透明纳米Ag/PLA抗菌膜。抗菌膜的含银量为2.7wt%，吸水率为13.5%。

实验例1

从如图2所示的透射电镜图可以看出，Ag纳米粒子的尺寸比较均匀，粒子直径约为50nm；从图3所示的扫描电镜图也可以看出，Ag纳米在聚合物膜上分布较为均匀，粒子直径约为50nm。

实验例2

从如图4所示的PLA膜和含银PLA膜的接触角图可以看出，图4a改性前PLA膜的接触角为82°，接枝率为2%，7%和15%的含银改性PLA膜（图4b~d）的接触角分别为80°，77°和74°。接触角的下降说明改性后膜的亲水性得到了改善。

实验例3

按照中华人民共和国轻工行业标准QB/T 2591-2003测定不同含量Ag/聚合物膜24小时对大肠杆菌10⁷CFU/ml的抑菌率，实验结果如图5所示，对照样PE膜细菌繁殖旺盛，无抗菌性；图5b～h中含银量为0.2%，0.8%，1.2%，2.4%，3.6%，5.5%和10%的聚合物膜的抑菌率分别为97.7%，98.2%，99.1%，100%，100%，100%和100%。

Claims

1.辐照法制备纳米Ag/聚合物抗菌膜的方法，其特征在于包括以下步骤：

B、于步骤A的混合液中加入0.01～1mol/L的AgNO₃水溶液，搅拌混合均匀，得混合溶液，混合溶液中AgNO₃的含量控制在0.07g～6.8g/mL；

D、取出聚合物膜，蒸馏水反复冲洗，经真空37℃干燥，得到纳米Ag/聚合物抗菌膜。

2.根据权利要求1所述的辐照法制备纳米Ag/聚合物抗菌膜的方法，其特征在于：步骤A中所述任意两种混合物的体积比为1:1～1:10。

3.根据权利要求1所述的辐照法制备纳米Ag/聚合物抗菌膜的方法，其特征在于：步骤D中所述聚合物膜选自聚乳酸PLA膜、聚氨酯PU膜、聚乳酸-羟基乙酸共聚物PLGA膜、聚己内酯PCL膜、聚羟基脂肪酸酯PHA膜、聚碳酸酯PC膜或聚乙烯醇PVA膜。

4.根据权利要求1所述的辐照法制备纳米Ag/聚合物抗菌膜的方法，其特征在于：步骤D中所述纳米Ag的粒径为30～80nm。

5.根据权利要求1所述的辐照法制备纳米Ag/聚合物抗菌膜的方法，其特征在于：步骤D中所述纳米Ag/聚合物抗菌膜的含银量为0.2～10wt%。