CN105176288A - 一种基于高分子刷复合材料抗菌涂层的制备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于POEGMA高分子刷-AgNPs复合材料抗菌涂层的制备方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：(1)基底预处理；(2)在基底表面制备POEGMA高分子刷-AgNPs复合抗菌涂层。该方法具有简单易行、聚合条件可控、适用基底广泛等优点，且所形成的复合抗菌体系结构稳定，具有双重杀菌效力，抗菌效果显著，同时由于银的广谱杀菌性，克服了传统抗菌剂的特异性杀菌问题，对多种细菌生物膜都具有良好的抗菌效果。

Description

一种基于高分子刷复合材料抗菌涂层的制备

技术领域

本发明涉及一种基于POEGMA高分子刷银纳米粒子复合材料抗菌涂层的方法，属于生物膜控制技术领域。

背景技术

材料表面的微生物污染主要包括三个步骤：(1)细菌吸附到材料表面并发生粘附；(2)粘附的细菌开始生长、繁殖并分泌胞外聚合物；(3)随着菌落的扩大，胞外聚合物相互黏连，最终在材料表面形成一层生物膜。由胞外聚合物所形成的基质不仅能够有效地促进细菌在表面的附着，更为重要的作用是保护细菌免受来自免疫系统和抗菌剂的杀灭作用。有害生物膜的形成会引发诸多问题，尤其在医学领域，大多数的细菌感染都是由生物膜引起的，因此，如何有效的抑制有害生物膜的形成是很多领域亟待解决的重大问题之一。

依据微生物污染发生的过程，抗菌材料的作用机理分为以下三点：即预防初始粘附、释放杀菌物质，杀死表面附近或粘附于表面的细菌、构建接触杀菌表面，杀死表面粘附的细菌。为使材料表面具有抗菌性能，早期的研究往往是在材料本体或表面涂层中掺入各种小分子抗菌剂，诸如杀菌剂、抗生素、季铵盐化合物、银离子、碘等。由此制得的材料，在使用过程中，释出的抗菌剂杀灭周围介质中或材料表面吸附的细菌，从而阻止生物膜的形成。但这些小分子抗菌剂往往具有特异性，且易诱导产生抗药性。所以，在含有多种细菌的场合，更需要具有广谱活性的抗菌剂。

近年来，能够阻止细菌生物膜形成的抗菌涂层，已经在很多领域得到了应用，亲疏水高分子刷已经被验证能够有效地降低细菌的整体黏附。在以往的研究中，构建抗菌分子刷涂层的方法主要有三种：(1)由抗菌聚合物组成的分子刷；(2)由杀菌或抑菌配合物功能化的高分子刷；(3)以排斥细菌黏附并阻止生物膜形成为目的的防污分子刷。聚乙二醇具有亲水性好、运动性高、排斥体积大的特点，被广泛应用于蛋白质阻抗表面的构建，许多学者已经研究了聚乙二醇类分子刷的防污抗菌特性，在玻璃或硅片基底上接枝的聚乙二醇刷表面引入细菌，结果表明，其对生物膜有破坏作用，而且对于比较长的分子链，因其比较大的排斥体积效应，对抵抗蛋白质和细菌的作用更加明显。

聚乙二醇改性表面均能在短期内有效降低细菌的黏附。例如，链球菌在聚乙二醇涂覆聚苯乙烯表面、绿脓杆菌在等离子沉积聚乙二醇薄膜表面、假单胞菌在聚乙二醇接枝表面以及金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、大肠杆菌和唾液链球菌在聚乙二醇刷接枝玻璃表面。但有研究表明，聚乙二醇改性的材料虽然可以阻抗蛋白质吸附和短期内的细菌黏附，但是其长期阻抗生物膜的形成存在明显不足；而且PEG在生理环境中容易快速自氧化，这进一步制约了相关膜表面抗黏附性能的稳定性。

同时，由于PEG末端的羟基反应呈惰性，因此表面引发的自由基聚合主要针对聚乙二醇的衍生物甲基丙烯酸低聚乙二醇酯(OEGMA)进行表面改性，OEGMA单体可以在各种表面如金、硅、二氧化硅、钛、聚二甲基硅氧烷、水凝胶上引发聚合，构建具有良好抗污性能的聚合物刷，并且合成的聚合物刷厚度可调，该表面对许多蛋白质都有良好的抗污效果，且实验证明，OEGMA构建的聚合物刷对细胞和细菌也具有一定的抗污性能。

为了解决聚乙二醇类分子刷长期稳定性不足的问题，近年来复合抗菌体系的发展十分迅速，例如可以通过在膜表面原位生成银纳米粒子制备复合抗菌膜，该方法简单易行，所形成的复合抗菌层结构稳定，而复合体系具有双重杀菌效力，抗菌效果显著，是非常值得关注的发展方向。银离子的广谱杀菌特性已广为人知，它的杀菌机理可能在于：它能与细菌体内酶巯基发生强烈作用，导致酶失活；也有研究认为，银离子会促使细菌细胞膜结构发生变化，进而导致其死亡。银离子广谱杀菌、不诱发抗药性、无毒，因此被广泛地引入各种材料内部或表层作为释放型抗菌剂。然而，银离子的释放速度往往过快且不易调控，导致抗菌活性在短时间内丧失殆尽。为解决这个问题，有研究者提出，可以在材料表面原位生成银纳米粒子(AgNPs)：一方面可以克服银离子释放过快的缺点，另一方面纳米粒子的高比表面积能进一步提高单质银的抗菌活性。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于高分子刷复合材料抗菌涂层的制备方法。本发明将银纳米粒子负载到POEGMA高分子刷改性的基底表面，在基底表面构建一种高分子刷-AgNPs复合抗菌涂层。所构建的复合抗菌涂层的抗菌机理是：POEGMA分子链良好的亲水特性，能够有效的阻碍蛋白质的吸附，由于膜材料表面预先吸附的蛋白质可以充当与细菌特异性相互作用的位点，因此，POEGMA分子刷能起到抗细菌黏附的作用；银纳米粒子具有广谱杀菌性，它能与细菌体内酶巯基发生强烈作用，导致酶失活，或者其能促使细菌细胞膜结构发生变化而杀死细菌。该发明的提出有望解决生物医学领域中的膜污染问题，具有重要的应用意义。

本发明提出了一种基于POEGMA高分子刷和银纳米粒子复合材料制备抗菌涂层的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)基底预处理

所述的基底可选自单晶硅、玻璃、金属基底和聚合物基底等中的一种；

以单晶硅为例，基底的预处理步骤包括：首先用Piranha溶液进行羟基化处理，然后以3-氨丙基三乙氧基硅烷进行硅烷化处理，最后在基底上接枝引发剂α-溴代异丁酰溴。

(2)制备抗菌涂层

通过步骤i)和步骤ii)在基底表面制备抗菌涂层：

i)POEGMA高分子刷的制备

经预处理的基底置于反应器内，N₂脱气处理，另取一反应器，依次加入溶剂水和甲醇，配体Bpy，催化剂CuBr，在N₂保护下，引发单体OEGMA的ATRP聚合反应，使之在基底表面形成一层致密的刷状聚合物，同时可以通过控制不同的反应时间，得到不同厚度的POEGMA高分子刷；

ii)银纳米粒子的制备

以AgClO₄为银源，OEGMA为还原剂和稳定剂，在合成的高分子刷表面原位生成银纳米粒子，使之在基底表面自组装形成一种新的复合抗菌涂层。

有益效果

(1)本发明提出的POEGMA高分子刷-AgNPs复合抗菌涂层制备方法，具有操作方便、聚合体系简单，条件可控、形成的高分子刷厚度可调等优点；

(2)本发明提出的POEGMA高分子刷-AgNPs复合抗菌涂层对金黄色葡萄球菌具有良好的抑制效果；

(3)本发明制备的复合抗菌涂层结构稳定且具有双重杀菌功效，不同于传统的小分子杀菌剂，提出了一种更稳定高效且适用范围广泛的复合抗菌体系构建方案。

附图说明

图1为本发明复合抗菌涂层对金黄色葡萄球菌的抑制效果。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐述该发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例：

实施例1

(1)以单晶硅为例，预处理步骤为：硅片首先用Piranha溶液进行羟基化处理，然后以3-氨丙基三乙氧基硅烷进行硅烷化处理，最后在基底上接枝引发剂α-溴代异丁酰溴；

(2)将接枝引发剂的硅片置于反应器内，N₂脱气处理，另取一反应器，依次加入溶剂水和甲醇，配体Bpy，催化剂CuBr，在N₂保护下，引发单体OEGMA的ATRP聚合反应，通过控制不同反应时间，得到不同链长的POEGMA分子刷，反应结束后取出，用蒸馏水冲洗，N₂吹干备用；

(3)用AgClO₄处理上述基底，12小时后取出，N₂吹干备用；

(4)图1为对本实施例制备的抗菌涂层进行抗菌性能实验，以金黄色葡萄球菌作为实验对象，结果如图1所示，图中4个样品为：左上，Si-POEGMA(6h)左下，Si-POEGMA(6h)-Ag右上，Si-POEGMA(4h)右下，Si-POEGMA(4h)-Ag生物膜培养12h后，复合抗菌涂层周围出现了明显的抑菌圈。

Claims (4)

1.一种基于高分子刷复合材料抗菌涂层，其特征在于，该涂层在基底表面制备，由POEGMA高分子刷和在其上原位生成的银纳米粒子组成，所述的POEGMA高分子刷采用ATRP法制备。

2.根据权利要求1所述的抗菌涂层，其特征在于，所述的高分子刷所采用的单体为甲基丙烯酸低聚乙二醇酯(OEGMA)。

3.根据权利要求1所述的抗菌涂层，其特征在于，所述的抗菌涂层制备包括以下步骤：

(1)基底预处理；

(2)通过步骤i)和步骤ii)在基底表面制备抗菌涂层：

i)POEGMA高分子刷的制备

经预处理的基底置于反应器内，N₂脱气处理，另取一反应器，依次加入溶剂水和甲醇，配体Bpy，催化剂CuBr，在N₂保护下，引发单体OEGMA的ATRP聚合反应，使之在基底表面形成一层致密的刷状聚合物，同时可以通过控制不同的反应时间，得到不同厚度的POEGMA高分子刷；

ii)银纳米粒子的制备

以AgClO₄为银源，OEGMA为还原剂和稳定剂，在合成的高分子刷表面原位生成银纳米粒子，使之在基底表面自组装形成一种新的复合抗菌涂层。

4.根据权利要求1所述的抗菌涂层，其特征在于，(1)中所述的基底，选自单晶硅、玻璃、金属基底和聚合物基底等中的一种；以单晶硅为例，基底的预处理步骤包括：首先用Piranha溶液进行羟基化处理，然后以3-氨丙基三乙氧基硅烷进行硅烷化处理，最后在基底上接枝引发剂α-溴代异丁酰溴。