CN105153455B - 一种抗生物污染材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种抗生物污染材料及其制备方法，所述抗生物污染材料包括：基底和两端接枝在所述基底表面的双端基亲水聚合物；所述双端基亲水聚合物的两个端基独立地选自巯基、氨基、NHS‑、羧基或磺酸基。本发明将双端基亲水聚合物分子链的两端同时固定到基底表面，不仅能有效提高亲水物质分子链的表面覆盖率，而且能有效增大基底表面聚合物的粘弹性。在本发明中，一方面相互交叉的环状构象表面可以抵抗蛋白尤其是纤维蛋白的插入，进而有效抑制蛋白质的吸附；另一方面形成的环状亲水聚合物层也可以降低水接触角，能抑制细菌的粘附，防止生物膜的形成。因此，本发明提供的抗生物污染材料能实现低蛋白质吸附和抑制细菌粘附。

Description

一种抗生物污染材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及材料科学技术领域，尤其涉及一种抗生物污染材料及其制备方法。

背景技术

生物污染不仅是血液接触型材料在使用过程中面临的重大问题，同时也是海洋抗污材料制备中需注意的关键之所在。血液接触型材料在与血液接触时首先发生的是血浆蛋白质吸附，随后诱导血小板粘附，不可逆的血小板聚集最终造成凝血。而海洋生物污染最先发生的是多糖和蛋白质的吸附，接着大量细菌粘附形成生物膜，最后是绿藻和贝类的大量粘附，从而在材料上造成不可逆的生物污染层。因此，制备出能抑制蛋白质吸附及细菌粘附的抗生物污染材料显得尤为重要。

由于在材料表面接枝上亲水性分子链具有很好的抗蛋白质吸附的效果和抑制生物膜形成的能力，近年来，许多亲水聚合物或者生物活性分子被用于改性生物材料表面。其中，因具有强亲水性、低免疫性、无毒、分子链柔顺性以及在溶液中的空间位阻效应，聚乙二醇(PEG)类材料受到医用高分子领域广泛的关注和研究。大量的实验事实和工业应用都证明了PEG修饰的材料表面具有优越的抗蛋白质吸附性能和抗污能力，如申请号为201210233083.X的中国专利文献公开了一种促细胞生长的抗生物污染的材料表面处理方法，该方法首先对材料表面进行活化处理后自组装溴基硅烷分子进行表面溴化，然后依次将具有抗生物污染特征的两性离子分子、聚乙二醇以及促细胞生长的蛋白质或多肽固定在材料表面。

上述方法利用PEG接枝在材料表面而获得了促细胞生长的抗生物污染材料，但是其PEG的表面覆盖率难以进一步提高，不利于抑制蛋白质吸附及细菌粘附。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种抗生物污染材料及其制备方法，本发明提供的抗生物污染材料中亲水物质的表面覆盖率较高，且材料表面粘弹性较高，从而能实现低蛋白质吸附和抑制细菌粘附。

本发明提供一种抗生物污染材料，包括：基底和两端接枝在所述基底表面的双端基亲水聚合物；所述双端基亲水聚合物的两个端基独立地选自巯基、氨基、NHS-、羧基或磺酸基。

优选地，所述双端基亲水聚合物的分子链选自聚乙二醇分子链、聚磺酸甜菜碱分子链、聚磷酸胆碱分子链或聚丙烯酰胺分子链。

优选地，所述双端基亲水聚合物选自双巯基聚乙二醇、双巯基聚磷酸胆碱、双巯基聚丙烯酰胺、双氨基聚乙二醇、双NHS-聚乙二醇或双NHS-聚磺酸甜菜碱。

优选地，所述双端基亲水聚合物的数均分子量大于等于5000。

优选地，所述双端基亲水聚合物的为0.5ng/mm²～4.0ng/mm²。

优选地，所述基底选自金片、不锈钢基底、不饱和树脂基底或硅片。

本发明还提供一种抗生物污染材料的制备方法，包括以下步骤：

将基底表面与双端基亲水聚合物两端进行接枝反应，得到抗生物污染材料；所述双端基亲水聚合物的两个端基独立地选自巯基、氨基、NHS-、羧基或磺酸基。

优选地，所述方法具体包括：

在水溶液或乙醇溶液的环境下，将金片表面与双端基亲水聚合物两端进行接枝反应，得到抗生物污染材料。

优选地，所述方法具体包括：

A)将基底表面依次进行表面活化处理和硅烷化处理，得到表面含活性基团的基底；所述基底选自不锈钢基底、不饱和树脂基底或硅片；

B)将所述表面含活性基团的基底与双端基亲水聚合物两端进行接枝反应，得到抗生物污染材料。

优选地，所述步骤B)具体为：

在光引发剂存在下，利用紫外光将所述表面含活性基团的基底与双巯基基亲水聚合物两端进行接枝反应，得到抗生物污染材料。

与现有技术相比，在基底上，本发明使得双端基亲水聚合物的两端接枝到表面而形成环状聚合物，得到抗生物污染材料；其中，所述双端基亲水聚合物的两个端基独立地选自巯基、氨基、NHS-、羧基或磺酸基。本发明将双端基亲水聚合物分子链的两端同时固定到基底表面，不仅能有效提高亲水物质分子链的表面覆盖率，而且能有效增大基底表面聚合物的粘弹性。在本发明中，一方面相互交叉的环状构象表面可以抵抗蛋白尤其是纤维蛋白的插入，进而有效抑制蛋白质的吸附；另一方面形成的环状亲水聚合物层也可以降低水接触角，能抑制细菌的粘附，防止生物膜的形成。因此，本发明提供的抗生物污染材料能实现低蛋白质吸附和抑制细菌粘附。

附图说明

图1为本发明实施例提供的抗生物污染材料的结构示意图；

图2为本发明一个实施例制备抗生物污染材料的路线示意图；

图3为实施例1所得抗生物污染材料样品的XPS S_2p核心谱图；

图4为实施例2单巯基PEG接枝的材料和双巯基PEG接枝的材料的纤维蛋白原吸附频率结果图；

图5为实施例2单巯基PEG接枝的材料和双巯基PEG接枝的材料的纤维蛋白原吸附耗散结果图；

图6为实施例3不同表面修饰的材料样品的水接触角；

图7为实施例3不同表面修饰的材料样品的BSA蛋白质荧光定量图；

图8为实施例3不同表面修饰的材料样品的Fib蛋白质荧光定量图；

图9为实施例3中Si-OH表面的血小板粘附图；

图10为实施例3中Si-MPS表面的血小板粘附图；

图11为实施例3中Si-g-SH-PEG2000表面的血小板粘附图；

图12为实施例3中Si-g-SH-PEG5000表面的血小板粘附图；

图13为实施例3中Si-g-SH-PEG5000-SH表面的血小板粘附图；

图14为实施例3中Si-OH表面的大肠杆菌粘附图；

图15为实施例3中Si-MPS表面的大肠杆菌粘附图；

图16为实施例3中Si-g-SH-PEG2000表面的大肠杆菌粘附图；

图17为实施例3中Si-g-SH-PEG5000表面的大肠杆菌粘附图；

图18为实施例3中Si-g-SH-PEG5000-SH表面的大肠杆菌粘附图；

图19为实施例4中PP表面的红细胞粘附图；

图20为实施例4中PP-MPS表面的红细胞粘附图；

图21为实施例4中PP-g-SH-PEG2000表面的红细胞粘附图；

图22为实施例4中PP-g-SH-PEG5000表面的红细胞粘附图；

图23为实施例4中PP-g-SH-PEG5000-SH表面的红细胞粘附图；

图24为实施例5中Si-g-NHS-PEG5000表面在10μm下的金黄色葡萄球菌粘附图；

图25为实施例5中Si-g-NHS-PEG5000表面在2μm下的金黄色葡萄球菌粘附图；

图26为实施例5中Si-g-NHS-PEG5000-NHS表面在10μm下的金黄色葡萄球菌粘附图；

图27为实施例5中Si-g-NHS-PEG5000-NHS表面在2μm下的金黄色葡萄球菌粘附图；

图28为实施例6不同双巯基含量投料比下白蛋白吸附图；

图29为实施例6不同双巯基含量投料比下纤维蛋白原吸附图；

图30为实施例7不同分子量双巯基PEG接枝的材料抑制纤维蛋白原吸附图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种抗生物污染材料，包括：基底和两端接枝在所述基底表面的双端基亲水聚合物；所述双端基亲水聚合物的两个端基独立地选自巯基、氨基、NHS-、羧基或磺酸基。

本发明利用双端基的亲水聚合物在基底的表面接枝而形成环状聚合物，来更好地达到抗生物污染的目的。在本发明中，基底表面的环状亲水性的聚合物不仅能有效提高聚合物表面覆盖率，同时能有效增大基底(也可称为基材)表面聚合物的粘弹性，从而获得复合有低蛋白质吸附和抑制细菌粘附的抗生物污染涂层的新型抗生物污染材料。

参见图1，图1为本发明实施例提供的抗生物污染材料的结构示意图。图1中，1为基底，2为两端接枝在基底1表面的双端基亲水聚合物。

本发明实施例提供的抗生物污染材料包括基底1，所述基底可以是金属基底，如金片和不锈钢基底等；所述基底也可以是非金属基底，如硅片和聚丙烯膜等。在本发明的实施例中，所述基底优选自金片、不锈钢基底、不饱和树脂基底或硅片，其中，所述不饱和树脂基底包括但不限于聚丙烯。本发明对所述基底的形状和来源没有特殊限制，如对不锈钢基底的厚度没有要求。在本发明的一个实施例中，所述基底为聚丙烯基底，厚度优选在100μm以上。在本发明的一个实施例中，所述基底为金片，如石英晶体微天平(QCM-D)金芯片。

所述抗生物污染材料包括两端接枝在所述基底表面的双端基亲水聚合物2，也就是双端基亲水聚合物的两端接枝在所述基底表面，形成环状聚合物，从而在基底表面构建了一层抗生物污染涂层。在本发明中，所述双端基亲水聚合物即两端同时带有可与基底材料反应的活性基团的亲水性聚合物分子链，为接枝聚合物。所述双端基亲水聚合物的两个端基独立地选自巯基(SH-)、氨基(NH₂-)、NHS-、羧基(-COOH)或磺酸基(-SO₃H)，优选自巯基、氨基或NHS-，更优选为巯基。本发明优选采用两个端基相同的双端基亲水聚合物；这些基团可与基底反应，使得双端基亲水聚合物接枝到基底的表面，形成相互交叉的环状构象表面。所述双端基亲水聚合物具有亲水性，其分子链为一般的亲水性分子链，优选自聚乙二醇(PEG)分子链、聚磺酸甜菜碱(PSBMA)分子链、聚磷酸胆碱(PMPC)分子链或聚丙烯酰胺(PAPM)分子链。

在本发明的实施例中，所述双端基亲水聚合物优选自双巯基聚乙二醇(SH-PEG-SH)、双巯基聚磷酸胆碱(SH-PMPC-SH)、双巯基聚丙烯酰胺(SH-PAPM-SH)、双氨基聚乙二醇(NH₂-PEG-NH₂)、双NHS-聚乙二醇(NHS-PEG-NHS)或双NHS-聚磺酸甜菜碱(NHS-PSBMA-NHS，可称为双活性基聚磺酸甜菜碱)，更优选为双巯基聚乙二醇、双氨基聚乙二醇、双NHS-聚乙二醇，最优选为双巯基聚乙二醇。本发明对所述双端基亲水聚合物的来源没有特殊限制，可以采用市售产品。

在本发明的一个实施例中，所述双巯基聚乙二醇(SH-PEG-SH)即两端同时带有活性基团巯基的聚乙二醇分子链，具有式I结构：

相对应的，单巯基聚乙二醇(SH-PEG)是只有一端带有巯基的聚乙二醇分子，具有式II结构：

式I和式II中，n为聚合度。在本发明中，作为优选，所述双端基亲水聚合物的数均分子量大于等于5000，具有较好的抗污性能。本发明使得所述双端基亲水聚合物接枝到基底表面，接枝的聚合物形成环状(构象)亲水聚合物。所述双端基亲水聚合物的接枝率为0.5ng/mm²～4.0ng/mm²；可由QCM-D测量得到。所述双端基亲水聚合物可以接枝在基底的一面，也可以接枝在基底的两面；可以部分基底接枝，也可以全部基底接枝。

在本发明中，一方面相互交叉的环状构象表面可以抵抗蛋白尤其是纤维蛋白的插入，进而有效抑制蛋白质的吸附；另一方面形成的环状亲水聚合物层也可以降低水接触角，能抑制细菌的粘附，防止生物膜的形成。本发明将双端基亲水聚合物分子链的两端同时固定到基底表面，不仅能有效提高亲水物质分子链的表面覆盖率，而且能有效增大基底表面聚合物的粘弹性，从而实现低蛋白质吸附和抑制细菌粘附。本发明提供的新型的抗生物污染材料可用于制造各种抗生物污染层，如血液抗污和海洋抗污等。

本发明还提供了一种抗生物污染材料的制备方法，包括以下步骤：

将基底表面与双端基亲水聚合物两端进行接枝反应，得到抗生物污染材料；所述双端基亲水聚合物的两个端基独立地选自巯基、氨基、NHS-、羧基或磺酸基。

本发明提供了一种构建抑制生物污染体系的新的思路，本发明采用简单易行的两端接枝改性方法，不需要复杂合成技术，在不同基底表面制备出环状亲水性聚合物结构层，也就是在不同基材表面构建抗生物污染涂层，从而制备了一种具有低蛋白质吸附和抑制细菌粘附功能的新型抗生物污染材料，可用于血液抗污和海洋抗污等。

本发明是一种可以在金属基底如金片和不锈钢等表面，使得双端基亲水聚合物接枝，形成环状聚合物来抑制生物污染的方法。在本发明的一个实施例中，所述方法具体包括：在水溶液或乙醇溶液的环境下，将金片表面与双端基亲水聚合物两端进行接枝反应，得到抗生物污染材料。

本发明实施例将双端基亲水聚合物的水溶液或乙醇溶液与金片表面接触，优选将双端基亲水聚合物的水溶液或乙醇溶液通入金片表面，进行两端接枝反应，得到抗生物污染材料。

在本发明实施例中，所述双端基亲水聚合物的结构等内容如前所述，在此不再赘述。所述水溶液或乙醇溶液的环境优选还包括缓冲液，如本领域常用的磷酸盐缓冲液(PBS)。本发明实施例双端基亲水聚合物的水溶液或乙醇溶液中，所述双端基亲水聚合物的浓度优选为1mg/mL～2mg/mL。在本发明实施例中，所述基底为金片，如石英晶体微天平(QCM-D)金芯片。

本发明提供的一个实施例在石英晶体微天平(QCM-D)样品池中，将双巯基聚乙二醇的水溶液或乙醇溶液通入QCM-D金芯片表面，两端带巯基的PEG分子链可以直接与金片表面反应，此时PEG分子链通过硫-金(S-Au)键接枝固定到金芯片表面，也就是双巯基聚乙二醇在金片表面利用硫金键结合形成环状亲水聚合物层。

在本发明实施例中，所述双端基亲水聚合物的水溶液或乙醇溶液通入金片表面的速度优选为90μL/min～100μL/min。本发明提供的一个实施例采用石英晶体微天平进行反应；在通入双端基亲水聚合物的水溶液或乙醇溶液之前，本发明实施例优选还包括：采用缓冲液如PBS缓冲液，对石英晶体微天平的样品池进行基线校准。待温度和基线稳定后，本发明实施例进行接枝反应。所述基线校准和接枝反应的温度优选为20.0±0.1℃；所述接枝反应的时间优选为10min～30min。

接枝反应结束后，本发明实施例优选还包括：采用缓冲液如PBS缓冲液冲洗，以除掉物理吸附的PEG分子链等亲水聚合物，得到抗生物污染材料。

本发明还可以在非金属基底如不饱和树脂基底和硅片等表面，使得双端基亲水聚合物接枝形成环状聚合物。

在本发明的另一个实施例中，所述方法具体包括：

A)将基底表面依次进行表面活化处理和硅烷化处理，得到表面含活性基团的基底；所述基底选自不锈钢基底、不饱和树脂基底或硅片；

B)将所述表面含活性基团的基底与双端基亲水聚合物两端进行接枝反应，得到抗生物污染材料。

本发明实施例首先将基底表面进行表面活化处理，一定时间后，采用硅烷偶联剂进行硅烷化处理，得到表面含活性基团如的基底，如表面带有双键的基底。

在本发明实施例中，所述基底的内容如前文所述；所述基底优选自不锈钢基底、不饱和树脂基底或硅片。本发明实施例对基底表面进行的表面活化处理可以采用本领域公知的“piranha”溶液，所述“piranha”溶液由浓度为98wt％的浓硫酸与浓度为30vol％的双氧水按照体积比为7：3的比例组成；所述表面活化处理的温度优选为70℃～80℃；所述表面活化处理的时间优选为20min～30min。本发明实施例还可以利用低压等离子体技术对基底表面进行表面活化处理；本发明实施例采用低压等离子体技术时，等离子体辉光放电的能量可为100W～150W，腔体内氧气压力可为15Pa；处理的时间优选为90s～120s。

表面活化处理结束后，本发明实施例采用硅烷偶联剂对基底表面进行硅烷化处理。其中，所述硅烷偶联剂优选自3-(三甲氧基甲硅基)甲基丙烯酸丙酯(MPS)、3-巯丙基三乙氧基硅烷或(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷，更优选为3-(三甲氧基甲硅基)甲基丙烯酸丙酯。本发明实施例可将基底置于硅烷偶联剂的无水甲苯溶液中进行处理；所述硅烷偶联剂的无水甲苯溶液中硅烷偶联剂的浓度优选为2wt％～8wt％，更优选为2wt％～5wt％。所述硅烷化处理的时间优选为6小时～24小时，更优选为6小时～15小时。

得到表面含活性基团的基底后，本发明实施例将其与双端基亲水聚合物两端进行接枝反应，得到抗生物污染材料。作为优选，本发明实施例在光引发剂存在下，利用紫外光将所述表面含活性基团的基底与双巯基基亲水聚合物两端进行接枝反应，得到抗生物污染材料。

在本发明实施例中，所述双端基亲水聚合物的结构等内容如前文所述；所述双端基亲水聚合物作为接枝反应单体，其在反应体系中的浓度优选为5wt％～30wt％，更优选为10wt％～20wt％，最优选为10wt％，性价比最高。本发明通过改变单体比例，可提高表面聚合物的接枝量。所述双端基亲水聚合物的接枝率优选为0.5ng/mm²～4.0ng/mm²；可由QCM-D测量得到。

所述光引发剂优选自2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮、二苯甲酮或二苯基乙酮，更优选为2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮；所述光引发剂的浓度可为0.1wt％～2wt％。本发明实施例优选将含双端基亲水聚合物和光引发剂的混合物旋涂在基底上，通过接枝反应形成涂层。本发明实施例中接枝反应可在365nm紫外灯下进行，所述紫外灯的能量可为90W；所述接枝反应的时间优选为60min～120min，更优选为60min～90min。

本发明提供的一个实施例采用双巯基聚乙二醇，在硅片表面利用巯烯反应形成环状亲水聚合物层；具体可参见图2，图2为本发明一个实施例制备抗生物污染材料的路线示意图。

结合图2，本发明实施例将表面富含羟基的硅片利用3-(三甲氧基甲硅基)甲基丙烯酸丙酯(MPS)进行硅烷化改性，使带有羟基的表面活化为带有双键的表面；然后，本发明实施例旋涂含光引发剂的SH-PEG-SH混合溶液，在紫外光照射下进行巯烯反应，从而使硅片表面共价键合上SH-PEG-SH。

其中，所述表面富含羟基的硅片由“piranha”溶液在80℃下处理硅片30分钟制得。所述旋涂为本领域技术人员熟知的技术手段，可以2000rpm的速度20s涂布混合溶液。巯烯反应中单体浓度可为10wt％；光引发剂2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮的浓度可为0.1wt％；在365nm紫外灯下接枝60分钟。本发明实施例通过简单易行的方法，在硅片表面构建了环状亲水性聚合物层，得到了新型的抗生物污染材料。

本发明提供的另一个实施例利用等离子处理聚丙烯或不锈钢表面，使得表面带上过氧化基团，然后利用硅烷偶联剂使表面活化为带有双键的表面，再在紫外光照射下，可通过巯烯反应在基底表面共价键合上SH-PEG-SH，制备出环状亲水聚合物层。

其中，所述等离子处理为低压等离子体处理，其工艺条件可为：150W，15Pa，90s。巯烯反应中单体浓度可为10wt％；光引发剂2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮的浓度可为0.1wt％；在365nm紫外灯下接枝60分钟。本发明实施例在聚丙烯或不锈钢表面构建了环状亲水聚合物层，方法简单易行。

接枝反应结束后，本发明实施例采用本领域常用的方法进行清洗，去除未反应的单体，再经干燥除去溶剂，得到抗生物污染材料。

得到抗生物污染材料后，本发明实施例对其进行表面元素分析。结果表明，本发明使得双端基亲水聚合物的两端接枝到基底表面而形成环状聚合物，得到新型的抗生物污染材料。

本发明实施例将所述抗生物污染材料通入纤维蛋白原(Fib)，持续10min～30min，进行频率和耗散测试。并且，本发明实施例将所述抗生物污染材料进行蛋白质吸附荧光定量测试。结果表明，本发明制得的抗生物污染材料对牛血清白蛋白、纤维蛋白原、溶菌酶和免疫球蛋白的蛋白质吸附量均可以达到零吸附，有效达到抗蛋白质吸附的目的。

本发明实施例通过悬滴法(Sessile Drop Method)测量所得抗生物污染材料表面的接触角，测试在公司生产的DSA100型液滴形状分析仪上进行。并且，本发明实施例进行血小板粘附和大肠杆菌粘附试验。结果表明，本发明基底上形成的环状亲水聚合物层可以降低水接触角，能抑制细菌的粘附，防止生物膜的形成。

综上，本发明在基底上，使得双端基亲水聚合物的两端接枝到表面而形成环状聚合物，得到抗生物污染材料；其中，所述双端基亲水聚合物的两个端基独立地选自巯基、氨基、NHS-、羧基或磺酸基。本发明提供的抗生物污染材料具有优良的稳定性、亲水性和生物相容性，并且具有优异的抗血小板粘附性能和抑制红细胞粘附能力，以及拥有更强的抗蛋白质吸附能力。本发明提供的抗生物污染材料可用于简单制备各种各样血液接触型材料，如血袋和输血器等；也可用于金属海洋抗污材料的制备。另外，本发明提供的抗生物污染材料的制备方法简单易行。

为了进一步理解本申请，下面结合实施例对本申请提供的抗生物污染材料及其制备方法进行具体地描述。

实施例1

将10mg SH-PEG5000-SH(购自上海炎怡生物，数均分子量为5000)溶于10mL PBS溶液，配制成浓度为1mg/mL的PEG溶液。经过滤，除去杂质和细菌。

设定实验温度在20.0±0.1℃，首先用PBS缓冲液流过石英晶体微天平(QCM-D)样品池进行基线校准，待温度和基线都稳定后，以100μL/min的速度将所述PEG溶液通入QCM-D金芯片的表面10min，此时PEG分子链已通过硫-金键接枝固定到了芯片表面，然后用PBS冲洗掉物理吸附的PEG分子链，得到抗生物污染材料。

用VG ESCALAB MK II型X-射线光电子能谱仪(XPS)对改性前后样品进行表面元素分析，测试条件包括：室温，射线源为Mg Kα(hν＝1253.6eV)，分析内腔压强为8×10^-8Pa，测量掠射角(进入分析器方向的电子与样品表面间的夹角)为30°。结合能采用污染碳(C1s＝284.7eV)进行校正，参照Cu2p(0价或+1价)＝932.7eV进行零点校正，测试元素为Au、C、O、S。检测结果参见表1和图3，表1为实施例1所得抗生物污染材料样品的元素含量，图3为实施例1所得抗生物污染材料样品的XPS S_2p核心谱图。从表1可以发现，硫元素含量为1.42％。结果表明，本发明使得双端基亲水聚合物的两端接枝到基底表面而形成环状聚合物，得到新型的抗生物污染材料。

表1 实施例1所得抗生物污染材料样品的元素含量

实施例2

将10mg SH-PEG5000(购自上海炎怡生物)和SH-PEG5000-SH(购自上海炎怡生物)分别溶于10mL PBS溶液，配制成1mg/mL的PEG溶液。

设定实验温度在20.0±0.1℃，首先用PBS缓冲液流过石英晶体微天平(QCM-D)样品池进行基线校准，待温度和基线都稳定后，以100μL/min的速度，分别将所述PEG溶液通入QCM-D金芯片的表面10min，此时PEG分子链已通过硫-金键接枝固定到了芯片表面，然后分别用PBS冲洗掉物理吸附的PEG分子链，得到单巯基PEG接枝的材料和双巯基PEG接枝的材料。

待基线平稳后，以相同的速度，分别通入纤维蛋白原(Fib)的PBS溶液，持续10min，检测频率和耗散。频率结果参见图4，图4为实施例2单巯基PEG接枝的材料和双巯基PEG接枝的材料的纤维蛋白原吸附频率结果图；耗散结果参见图5，图5为实施例2单巯基PEG接枝的材料和双巯基PEG接枝的材料的纤维蛋白原吸附耗散结果图。由图4和图5可知，双巯基PEG与单巯基PEG的接枝量大致相同，但是双巯基PEG接枝的材料表面拥有更强的抗蛋白质吸附能力。

实施例3

利用“piranha”溶液(98wt％浓硫酸与30vol％双氧水体积比为7：3)，在80℃下处理硅片(由北京有色金属研究所提供，P<100>)30分钟，然后用去离子水清洗，经氮气吹干，得到表面富含羟基的硅片，记为Si-OH。

将所述表面富含羟基的硅片置于4wt％3-(三甲氧基甲硅基)甲基丙烯酸丙酯(MPS)的无水甲苯溶液中6个小时，进行硅烷化处理，使硅片表面自组装引入双键，得到表面含活性基团的硅片，记为Si-MPS。

将10wt％巯基PEG和0.1wt％2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮为引发剂的氯仿溶液混合，得到混合溶液；将所述混合溶液以2000rpm的速度20s旋涂到硅烷化处理后的硅片表面，在365nm紫外光照射下接枝反应60min；反应结束后，采用氯仿超声5min，清洗掉未反应单体；最后在常温下采用真空烘箱干燥，除去溶剂。分别选择购自上海炎怡生物的SH-PEG2000、SH-PEG5000与SH-PEG5000-SH为巯基PEG样品，进行上述实验，所得材料样品依次记为Si-g-SH-PEG2000、Si-g-SH-PEG5000和Si-g-SH-PEG5000-SH。

通过悬滴法(Sessile Drop Method)测量所得材料样品表面的接触角，测试在公司生产的DSA100型液滴形状分析仪上进行。具体方法为：首先固定样品于样品台上，将2.0μL水珠滴在膜表面，使用CCD摄像机迅速拍下液滴形状照片，通过仪器程序得到接触角数值。每个样品至少测6次，去除最大和最小值后，求出接触角的平均值。接触角结果如图6所示，图6为实施例3不同表面修饰的材料样品的水接触角。接触角数据证明，双巯基PEG接枝的材料表面的亲水性最佳。

将所得材料样品进行蛋白质吸附荧光定量测试，具体方法为：将样品预先在PBS缓冲液中浸泡2h，转移到含有100μg/mL的RBITC-BSA(白蛋白)/FITC-Fib(纤维蛋白原)的PBS溶液中，在温度为4℃的条件下吸附12h；清洗干燥后，用激光共聚焦检测各样品表面的荧光强度。结果如图7和图8所示，图7为实施例3不同表面修饰的材料样品的BSA蛋白质荧光定量图，图8为实施例3不同表面修饰的材料样品的Fib蛋白质荧光定量图。根据蛋白质吸附结果可知，无论是白蛋白还是纤维蛋白原，双巯基PEG接枝的材料样品的吸附量都要低于其他样品。

将所得材料样品进行血小板粘附实验，具体方法如下：

富血小板血浆(PRP)的制备：将EDTA K2抗凝的新鲜兔全血在1000rpm下离心15min，得到富血小板血浆(PRP)。

血小板粘附：将样品(1cm×1cm)放入微孔板中，用PBS润湿，取20μL PRP加于膜上，37℃下孵化60min。之后用PBS缓冲溶液冲洗4次(采用往孔板中加入溶液摇晃，将非激活性吸附的血小板筛选去除)，浸入2.5wt％的戊二醛PBS溶液中，在温度为4℃的条件下固定10h。固定完成后，将膜取出，用PBS冲洗几次后，依次用30％、50％、70％、90％、100％(体积百分数)的乙醇去离子水溶液各浸泡半小时，再真空干燥4h～6h，喷金后在SEM下观察血小板在样品表面的粘附情况。

血小板粘附实验结果如图9～图13所示，图9～图13依次为实施例3中Si-OH、Si-MPS、Si-g-SH-PEG2000、Si-g-SH-PEG5000和Si-g-SH-PEG5000-SH表面的血小板粘附图。结果显示，单巯基PEG5000接枝的材料样品表面虽然血小板数量大量减少，但血小板仍呈现激活状态，而双巯基PEG5000接枝的材料样品上血小板数量明显减少，只有少量血小板碎片，由此证明其具有优越的抗污性能。

将所得材料样品进行大肠杆菌粘附实验，具体方法如下：实验前，将样品用酒精杀菌，然后用PBS清洗三遍；然后将样品单独浸泡在500μL的细菌的PBS溶液中(细菌溶液在540nm处OD值为0.1左右，即每毫升溶液含细菌数108个)，置于37℃烘箱孵化2h；2h后吸走细菌溶液，用PBS清洗三遍，然后滴加500μL多聚甲醛(由北京鼎国生物公司提供，AR-0211)固定半小时，再用去离子水清洗两遍，最后经冷冻干燥机干燥后喷金，在SEM下观察大肠杆菌在样品表面的粘附情况。大肠杆菌粘附实验结果如图14～图18所示，图14～图18依次为实施例3中Si-OH、Si-MPS、Si-g-SH-PEG2000、Si-g-SH-PEG5000和Si-g-SH-PEG5000-SH表面的大肠杆菌粘附图。细菌粘附测试表明，单巯基PEG接枝的样品表面有大量死细菌，而双巯基PEG接枝的样品表面上的死菌数量明显很少。

实施例4

将聚丙烯膜(购自上海默誉生物有限公司，P3367)分别在丙酮和乙醇中超声30min，真空干燥后，置于氧气等离子体中(工艺条件包括：15Pa，150W，90s)进行表面活化处理，随后置于空气中暴露30min，得到表面带有过氧基团的聚丙烯膜，记为PP。

将表面活化处理后的聚丙烯膜置于8wt％3-(三甲氧基甲硅基)甲基丙烯酸丙酯(MPS)的无水甲苯溶液中6个小时，进行硅烷化处理，使表面自组装引入双键，得到表面含活性基团的聚丙烯膜，记为PP-MPS。

将10wt％的巯基PEG和0.5wt％2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮为引发剂的氯仿溶液混合，得到混合溶液；将所述混合溶液300μL滴于尺寸为2cm×2cm的硅烷化处理后的聚丙烯膜表面，利用石英片夹层法在365nm紫外光照射下接枝反应120min；反应结束后，采用氯仿超声5min，清洗掉未反应单体；最后在常温下采用真空烘箱干燥，除去溶剂。分别选择购自上海炎怡生物的SH-PEG2000、SH-PEG5000与SH-PEG5000-SH为巯基PEG样品，进行上述实验，所得材料样品依次记为PP-g-SH-PEG2000、PP-g-SH-PEG5000和PP-g-SH-PEG5000-SH。

将所得材料样品进行红细胞粘附实验，具体方法如下：

将EDTA K2抗凝的新鲜兔全血在3000rpm下离心5min，分离得到压积红细胞。将压积红细胞用PBS清洗三遍后配成5％的红细胞溶液。将样品(1cm×1cm)放入微孔板中，用PBS润湿，取500μL红细胞溶液加于膜上，37℃下孵化60min。之后用PBS缓冲溶液冲洗3次(采用往孔板中加入溶液摇晃，将非粘附的红细胞筛选去除)，浸入2.5wt％的戊二醛PBS溶液中，在温度为4℃的条件下固定10h。固定完成后，将膜取出，用PBS冲洗几次后，依次用30％、50％、70％、90％、100％(体积百分数)的乙醇去离子水溶液各浸泡半小时，再真空干燥4h～6h，喷金后在SEM下观察红细胞在样品表面的粘附情况。

样品表面粘附红细胞的结果如图19～图23所示，图19～图23依次为实施例4中PP、PP-MPS、PP-g-SH-PEG2000、PP-g-SH-PEG5000和PP-g-SH-PEG5000-SH表面的红细胞粘附图。结果显示，双巯基PEG接枝的材料表面无红细胞粘附。

实施例5

利用“piranha”溶液(98wt％浓硫酸与30vol％双氧水体积比为7：3)，在80℃下处理硅片30分钟，然后用去离子水清洗，经氮气吹干，得到表面富含羟基的硅片。

将所述表面富含羟基的硅片放入含4％(V/V)γ-氨丙基三乙氧基硅烷的异丙醇溶液中，在室温下静置两个小时，进行硅烷化处理；然后，用异丙醇清洗3～5遍，经N₂吹干后在120℃下烘30min，制备出表面富含氨基的硅片，即制备出表面含活性基团的硅片，待用。

将硅烷化处理后的硅片分别浸泡在10wt％的NHS-PEG5000-NHS(购自上海炎怡生物公司)和NHS-PEG5000(购自上海炎怡生物公司)水溶液中，摇床反应12h；反应结束后，依次采用去离子水淋洗和氮气吹干，所得材料样品分别记为Si-g-NHS-PEG5000和Si-g-NHS-PEG5000-NHS。

对得到的单、双官能团PEG接枝的材料样品进行金黄色葡萄球菌粘附实验，具体方法为：实验前，将样品用酒精杀菌，然后用PBS清洗三遍；再将样品单独浸泡在500μL的细菌的PBS溶液中(细菌溶液在540nm处OD值为0.1左右，即每毫升溶液含细菌数108个)，置于37℃烘箱孵化2h；2h后吸走细菌溶液，用PBS清洗三遍，然后滴加500μL多聚甲醛固定半小时，再用去离子水清洗两遍，最后经冷冻干燥机干燥后喷金，在SEM下观察金黄色葡萄球菌在样品表面的粘附情况。金黄色葡萄球菌粘附实验结果如图24～27所示，图24和图25分别为实施例5中Si-g-NHS-PEG5000表面在10μm和2μm下的金黄色葡萄球菌粘附图。图26和图27分别为实施例5中Si-g-NHS-PEG5000-NHS表面在10μm和2μm下的金黄色葡萄球菌粘附图。

实验结果表明，单官能团PEG修饰的材料表面无法很好地抑制金黄色葡萄球菌的粘附；而双官能团PEG修饰的材料表面能够有效抑制金黄色葡萄球菌的粘附，无论是大尺寸SEM图还是小尺寸SEM图，几乎都没有金黄色葡萄球菌，证明其能有效抑菌。

实施例6

利用“piranha”溶液(98wt％浓硫酸与30vol％双氧水体积比为7：3)，在80℃下处理硅片30分钟，然后用去离子水清洗，经氮气吹干，得到表面富含羟基的硅片。

将所述表面富含羟基的硅片置于4wt％3-(三甲氧基甲硅基)甲基丙烯酸丙酯(MPS)的无水甲苯溶液中浸泡12个小时，进行硅烷化处理，使表面自组装引入双键；然后用甲苯淋洗，经氮气吹干，得到表面含活性基团的硅片。

将SH-PEG5000(购自上海炎怡生物)和SH-PEG5000-SH(购自上海炎怡生物)以不同的摩尔比混合，分别得到巯基PEG的混合物，其中，SH-PEG5000-SH的摩尔含量分别为0、25mol％、50mol％、75mol％、100mol％，总浓度为10wt％。

将所述巯基PEG的混合物和0.5wt％2,2-二甲氧基-苯基苯乙酮溶解在氯仿中，以转速2000rpm、时间20s的条件旋涂到MPS处理的硅片表面，在365nm紫外光下接枝120min；反应结束后，采用氯仿超声10min，清洗掉未反应的单体。

将以上不同浓度SH-PEG-SH接枝的材料样品进行蛋白质吸附荧光定量测试，具体方法为：将样品预先在PBS缓冲液中浸泡2h，转移到含有100μg/mL的RBITC-BSA/FITC-Fib的PBS溶液中，在温度为4℃的条件下吸附12h；清洗干燥后，用激光共聚焦检测各样品表面的荧光强度。结果参见图28和图29，图28为实施例6不同双巯基含量投料比下白蛋白吸附图，图29为实施例6不同双巯基含量投料比下纤维蛋白原吸附图。

结果显示，随着双巯基PEG在体系中含量的增加，所得材料的抗蛋白质吸附性能明显增强；当双巯基比例为100mol％时，所得材料表面上基本没有蛋白质吸附，尤其对白蛋白的抑制效果较好。

实施例7

将10mg SH-PEG1000-SH(购自上海炎怡生物)和SH-PEG5000-SH(购自上海炎怡生物)分别溶于10mL PBS溶液，配制成1mg/mL的PEG溶液。

设定实验温度在20.0±0.1℃，首先用PBS缓冲液流过石英晶体微天平(QCM-D)样品池进行基线校准，待温度和基线稳定都后，以100μL/min的速度，分别将所述PEG溶液通入QCM-D金芯片的表面30min，此时PEG分子链已通过硫-金键接枝固定到了芯片表面，然后分别用PBS冲洗掉物理吸附的PEG分子链，得到SH-PEG1000-SH接枝的材料(记为SH-PEG-SH-1K)和SH-PEG5000-SH接枝的材料(记为SH-PEG-SH-5K)。

待基线平稳后，以相同的速度，分别通入纤维蛋白原(Fib)的PBS溶液，持续30min，检测频率。频率结果参见图30，图30为实施例7不同分子量双巯基PEG接枝的材料抑制纤维蛋白原吸附图。结果表明，随着双巯基PEG分子量的增加，所得材料的抗纤维蛋白原的能力大幅度增强。

由以上实施例可知，本发明可以利用现有的抗污分子，在多种基材表面构建环状亲水聚合物涂层，提高材料表面抑制多种生物成分粘附及污染的能力，如降低材料表面与血小板、红细胞的相互作用，同时抑制细菌的粘附，以及实现低蛋白质吸附。并且，本发明在基底表面形成抗生物污染涂层的方法简单，易于操作。

Claims (9)

1.一种抗生物污染材料，包括：基底和两端接枝在所述基底表面的双端基亲水聚合物；所述双端基亲水聚合物的两个端基独立地选自巯基、氨基、NHS-、羧基或磺酸基；所述基底选自金片、不锈钢基底、不饱和树脂基底或硅片。

2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述双端基亲水聚合物的分子链选自聚乙二醇分子链、聚磺酸甜菜碱分子链、聚磷酸胆碱分子链或聚丙烯酰胺分子链。

3.根据权利要求2所述的材料，其特征在于，所述双端基亲水聚合物选自双巯基聚乙二醇、双巯基聚磷酸胆碱、双巯基聚丙烯酰胺、双氨基聚乙二醇、双NHS-聚乙二醇或双NHS-聚磺酸甜菜碱。

4.根据权利要求1～3任一项所述的材料，其特征在于，所述双端基亲水聚合物的数均分子量大于等于5000。

5.根据权利要求4所述的材料，其特征在于，所述双端基亲水聚合物的接枝率为0.5ng/mm²～4.0ng/mm²。

6.一种抗生物污染材料的制备方法，包括以下步骤：

将基底表面与双端基亲水聚合物两端进行接枝反应，得到抗生物污染材料；所述双端基亲水聚合物的两个端基独立地选自巯基、氨基、NHS-、羧基或磺酸基；所述基底选自金片、不锈钢基底、不饱和树脂基底或硅片。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法具体包括：

在水溶液或乙醇溶液的环境下，将金片表面与双端基亲水聚合物两端进行接枝反应，得到抗生物污染材料。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法具体包括：

A)将基底表面依次进行表面活化处理和硅烷化处理，得到表面含活性基团的基底；所述基底选自不锈钢基底、不饱和树脂基底或硅片；

B)将所述表面含活性基团的基底与双端基亲水聚合物两端进行接枝反应，得到抗生物污染材料。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤B)具体为：

在光引发剂存在下，利用紫外光将所述表面含活性基团的基底与双巯基基亲水聚合物两端进行接枝反应，得到抗生物污染材料。