CN104945994B - 一种基于震荡条件下多巴胺自聚合制备抗菌涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于震荡条件下多巴胺自聚合制备抗菌涂层的方法，属于生物抗菌材料领域。其制备方法是，在弱碱性Tris缓冲溶液中，加入一定量的多巴胺固体，配制成0.5‑5.0mg/mL，然后，将待修饰基底浸泡于该新鲜配制的多巴胺溶液中，将其置于摇床中振荡，转速为100‑500rpm/min，时间为10‑36h，温度为18‑37℃，从而在基底上制备成聚多巴胺涂层。该制备方法绿色、环保、不使用有机溶剂。制备过程中震荡能够促使聚多巴胺薄膜表面贴附有大量聚多巴胺纳米颗粒，使得聚多巴胺薄膜具有高的粗糙度和高的亲水性。本发明制备的聚多巴胺涂层，对多种常见微生物都有很好地抑制作用，同时，该涂层有良好的生物兼容型。该涂层还可以承受高温湿法灭菌处理而保持良好的抗菌活性。
Description
【技术领域】本发明提供了一种多巴胺自聚合制备广谱型抗菌涂层的方法，属于生物抗菌材料领域。
【技术背景】近年来，由于环境污染、抗生素滥用等问题的加剧，使得细菌变异和传染疾病蔓延等严重威胁人类健康的问题日益严重。同时，许多工业材料和产品含有微生物容易利用的营养物质，一旦环境条件适宜，微生物就会迅速生长繁殖。因此，控制致病微生物传播，减少致病微生物污染，以及抗菌技术的研究与应用正受到越来越多的关注。近年来，多种抗菌纤维及织物、抗菌塑料、抗菌建材、抗菌陶瓷、抗菌金属材料等均已面市，并深受广大消费者欢迎，市场也越来越需要抗菌产品。然而，如何避免细菌的传播和感染，以及促进民用产品的消毒抗菌化与生活环境的清洁化依然是当前社会关注的重大问题之一。因此，控制和消灭有害微生物的生长和繁殖，研发高效、无毒(低毒)而效力持久的抗菌材料具有重要意义。
近年来出现的聚合物抗菌薄膜是将抗菌基团共价结合在不溶性载体上，这不仅可以有效地避免二次污染，而且可以重复利用。聚合物抗菌薄膜由于其化学结构稳定、不易挥发、较高的抗菌效率及较高的操作安全性等优点近年来已成为抗菌材料的一个新的发展方向，代表了抗菌技术的新进展，具有比较广阔的应用前景。
多巴胺(正式化学名称为4-(2-氨基乙基)-1,2-苯二酚)最常被使用的形式为盐酸盐，是白色或类白色有光泽的结晶，其无臭，味微苦，露置于空气中及遇光色渐变深。多巴胺在水中易溶，在无水乙醇中微溶，在氯仿或乙醚中极微溶解。有些酚类物质有显著的抗菌效果，所以聚多巴胺可以被期望制造抗菌涂层材料。然而，迄今为止，大多数研究工作都较少关注多巴胺和聚多巴胺自身的抗菌特性，虽偶有报道，但其抗菌效果通常较差。
【发明内容】
本发明提供了一种简便地制备聚多巴胺抗菌薄膜的方法，该方法绿色环保、工艺稳定，制备所得的抗菌薄膜具有良好的广谱抗菌特性，并有良好的有生物相容性。
本发明介绍的聚多巴胺抗菌薄膜的制备方法可以在几乎所有的固体表面(包括氧化物类、金属、陶瓷、纱布织物类等)物体表面制备聚多巴胺薄膜。
典型的制备流程如下：在弱碱性溶液中(例如，pH 8.5的Tris缓冲溶液)，加入一定量的多巴胺固体，配制成0.5-5.0mg/mL的多巴胺溶液，然后，将待修饰基底(例如，金属、陶瓷、纱布等)浸泡于该新鲜配制的多巴胺溶液中，将其置于摇床中振荡，转速为100-500rpm/min，震荡时间为10-36h，反应温度为18-40℃，从而在基底上制备成聚多巴胺涂层。
进一步研究表明，其他的儿茶酚胺类化学物(包括含儿茶酚功能团的天然黄酮类化合物)也可以模仿这种不依赖于基底材料性质的成膜特性，在多种基底材料表面生成聚多巴胺薄膜。
本发明绿色、环保、不使用有机溶剂。制备过程中，使用震荡的条件，能够促使所形成的聚多巴胺薄膜表面贴附有大量聚多巴胺纳米颗粒，使得聚多巴胺薄膜具有高的粗糙度和高的亲水性。
本发明制备的多巴胺震荡自聚合制备的聚多巴胺抗菌涂层，对多种常见微生物(例如，金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和铜绿假单胞杆菌等)都有很好地抑制作用，同时，该涂层有良好的生物兼容型。该涂层还可以承受高温(121℃)湿法灭菌处理而保持良好的抗菌活性。因而，预计该方法及所制备的聚多巴胺抗菌薄膜有广泛的应用前景。
【附图说明】
图1为扫描电子显微镜下观察到的非振荡条件下生长的聚多巴胺薄膜的表面形貌图(图1-1)和侧面图(图1-2)以及在震荡条件下生长的聚多巴胺薄膜的表面形貌图(图1-3)和侧面图(图1-4)。
图2为聚多巴胺薄膜的拉曼光谱图。
图3为聚多巴胺薄膜的红外光谱图。
图4为金黄色葡萄球菌和大肠杆菌在不含聚多巴胺薄膜与含聚多巴胺薄膜的材料(如不锈钢)表面的扫描电子显微镜图。图4-1为完整的大肠杆菌图(未接触聚多巴胺薄膜)，图4-2为被破坏的大肠杆菌图(与聚多巴胺薄膜作用之后)，图4-3为完整的金黄色葡萄球菌图(未接触聚多巴胺薄膜)，图4-4为被破坏的金黄色葡萄球菌(与聚多巴胺薄膜作用之后)。
图5为裸基底材料(如不锈钢和玻璃)，在基底材料表面非振荡条件下生长的聚多巴胺聚多巴胺薄膜，在基底材料表面振荡条件下生长的聚多巴胺薄膜的接触角。图5-1，5-2，5-3分别为裸不锈钢，非振荡条件下生长的聚多巴胺薄膜，振荡条件下生长的聚多巴胺薄膜的接触角，图5-4，5-5，5-6为裸玻璃，非振荡条件下生长的聚多巴胺薄膜，振荡条件下生长的聚多巴胺薄膜的接触角。
图6为细胞毒性图。图6-1为裸玻璃上Hela细胞的生长情况，图6-2为玻璃上非振荡条件下生长的聚多巴胺薄膜上的Hela细胞生长情况，图6-3为玻璃上振荡条件下生长的聚多巴胺薄膜上Hela细胞的生长情况。
【具体实施方式】
1.聚多巴胺薄膜(或涂层)制备
首先，配置25mM的Tris缓冲溶液(pH 8.5)，加入多巴胺固体，使多巴胺浓度为2mg/mL，把待修饰材料基底材料放入此新鲜配置的多巴胺溶液中，置于37℃下摇床震荡24h。在24小时后，多巴胺溶液的颜色从无色变成了黑褐色。这说明在这个过程中多巴胺发生了自聚合反应。
经多次试验可知，新配置的多巴胺溶液分别在18-40℃条件下，震荡10-36h后可得到同样的结果。
2.聚多巴胺抗菌薄膜特性分析：
接触角实验表明，在振荡条件下生长的聚多巴胺薄膜存在情况下，不锈钢材料表面的接触角由82°减小到15°以下，在玻璃表面由54°减小到15°以下，这一方面进一步证实本发明提供的制备方法能够在不同材料表面形成聚多巴胺薄膜，而且该薄膜具有超亲水特性。
3.聚多巴胺薄膜抗菌特性由标准的动态定量抗菌效果测试方法ASTME2149-01来评估。
阶段一(准备阶段)：金黄色葡萄球菌在LB液体培养基37℃下过夜培养之后，用无菌的生理盐水按梯度稀释后作为工作溶液。
阶段二(作用阶段)：一片(面积约为0.8*2.5cm2)带有聚多巴胺涂层的玻璃片放入含有2mL工作溶液的离心管中，置于37℃摇床中振荡。以不含有聚多巴胺薄膜的玻璃片的工作溶液作为对照。
阶段三(培养阶段)：实验组和对照组分别在震荡24小时后取出100μL溶液涂平板，每组平行涂三个，放入37℃恒温生化培养箱培养24小时后，观察计数。其杀菌效果可以用杀灭细菌的百分比来体现。观察涂平板菌落数可知，聚多巴胺抗菌薄膜的杀菌效果对105cfu/mL的菌液可以达到100％,同时，对107cfu/mL菌悬液的抗菌效果也可达到95％以上(如表1所示)。
表1
振荡条件下生长的聚多巴胺薄膜还可以承受高温(121℃)湿法灭菌处理而保持良好的抗菌活性(表2所示)。
表2
由图1可以看出，非振荡条件下生长的聚多巴胺薄膜覆盖的玻璃表面与裸玻璃表面无太大差别，然而，震荡条件下生长的聚多巴胺薄膜表面极其粗糙，覆盖有大量的聚多巴胺纳米颗粒。
由图2可以看出，振荡条件下生长的聚多巴胺薄膜同样有两个聚多巴胺的拉曼宽峰：分别在1580cm-1和1409cm-1处。
由图3可以看出，在3400cm-1的宽阔吸收峰为芳香环的-NH和-OH的伸缩振动，在2920和2850cm-1的吸收峰为CH2中的C-H键的伸缩振动，在1601cm-1的吸收峰为芳香环中的重叠的C＝C力学振动，在1519cm-1的吸收峰为N-H的剪切共振。
由图4可以看到，金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的细胞表面受到了破坏，表明聚多巴胺中存在聚集的氨根阳离子，导致局部高密度正电荷，以至于细菌膜表面的破坏，进而使细菌褶皱失水。
由图5可以看出，在振荡条件下生长的聚多巴胺薄膜存在情况下，不锈钢材料表面的接触角由82°减小到15°以下，在玻璃表面由54°减小到15°以下，这一方面进一步证实本发明提供的制备方法能够在不同材料表面形成聚多巴胺薄膜，而且该薄膜具有超亲水特性。
由图6可以看出，振荡条件下生长的聚多巴胺薄膜有很好的生物相容性，毒性较低。
Claims (3)
1.一种基于震荡条件下多巴胺自聚合制备抗菌涂层的方法，其特征在于制备方法是，在pH 8.5的Tris的弱碱性溶液中，加入一定量的多巴胺固体，配制成0.5-5.0mg/mL的多巴胺溶液，然后，将待修饰基底浸泡于该新鲜配制的多巴胺溶液中，将其置于摇床中振荡，转速为100-500rpm/min，震荡时间为10-36h，反应温度为18-40℃，从而在基底上制备成聚多巴胺涂层。
2.根据权利要求1所述的基于震荡条件下多巴胺自聚合制备抗菌涂层的方法，其特征在于制备过程中，使用震荡的条件，能够促使所形成的聚多巴胺薄膜表面贴附有大量聚多巴胺纳米颗粒，使得聚多巴胺薄膜具有高的粗糙度和高的亲水性。
3.根据权利要求1所述的基于震荡条件下多巴胺自聚合制备抗菌涂层的方法，其特征在于多巴胺震荡自聚合制备的聚多巴胺抗菌涂层对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和铜绿假单胞杆菌都有很好地抑制作用，同时，该涂层有良好的生物兼容性 ，能够承受121℃高温湿法灭菌处理而保持良好的抗菌活性。
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