CN105254913A - 一种表面兼有抗菌性和生物相容性的聚酯材料及制备与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种表面兼有抗菌性和生物相容性的聚酯材料及制备与应用。该方法包括如下步骤：利用胺解或等离子体技术实现聚酯材料表面的胺基化，得到表面胺基化的聚酯材料；将得到的表面胺基化的聚酯材料与二醛反应实现聚酯材料表面的醛基化，得到表面醛基化的聚酯材料；将得到的表面醛基化的聚酯材料与磷酸二胆碱化壳聚糖盐反应实现聚酯材料表面的磷酸二胆碱化壳聚糖盐固定化，水洗，得到表面兼有抗菌性和生物相容性的聚酯材料。本发明采用的磷酸二胆碱化壳聚糖盐在生理环境下具良好细胞相容性、血液相容性和广谱抗菌性，在聚酯材料表面固定的技术条件温和，易操作，可获得表面兼有良好抗菌性和生物相容性的聚酯材料，适用于植入和介入性医疗器械。

Description

一种表面兼有抗菌性和生物相容性的聚酯材料及制备与应用

技术领域

本发明属于聚合物材料表面改性技术领域，具体涉及一种表面兼有抗菌性和生物相容性的聚酯材料及制备方法与应用。

背景技术

聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等聚酯材料在植入物、介入导管和手术器械等医疗器械领域应用广泛。当前，细菌等微生物黏附及随后形成的生物膜是导致植入物感染和医疗器械故障失效的主要原因之一，严重威胁着人类的身体健康和生命安全。目前采用的抗菌技术通常是在聚酯材料本体中引入抗菌剂，或在其表面化学偶联或物理涂覆抗菌剂，以解决植入物等医疗器械因微生物感染而引发并发症或失效。常用的抗菌剂有含季铵、卤胺、胍及季膦等的有机小分子抗菌剂和合成高分子抗菌剂、壳聚糖及其衍生物、含银化合物等无机抗菌剂及复合抗菌剂，等等，这些抗菌组分可通过扩散作用有效杀灭周围细菌微生物，或通过接触作用有效杀灭粘附在材料表面的细菌微生物，实现抗菌；但抗菌活性组分的引入存在的最大风险是可能对正常细胞有毒性影响，生物相容性不佳。如何使聚合物材料兼有良好的抗菌性和生物相容性仍然是当前医用聚酯材料在临床上需要克服的一个难点问题。

发明内容

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种表面兼有抗菌性和生物相容性的聚酯材料的制备方法。该制备方法主要是通过聚酯材料表面固定磷酸二胆碱化壳聚糖盐来实现。

本发明的另一目的在于提供所述制备方法得到的表面兼有抗菌性和生物相容性的聚酯材料。

本发明的再一目的在于提供所述表面兼有抗菌性和生物相容性的聚酯材料的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种表面兼有抗菌性和生物相容性的聚酯材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)利用胺解或等离子体技术实现聚酯材料表面的胺基化，得到表面胺基化的聚酯材料；

(2)将步骤(1)得到的表面胺基化的聚酯材料与二醛反应实现聚酯材料表面的醛基化，得到表面醛基化的聚酯材料；

(3)将步骤(2)得到的表面醛基化的聚酯材料与磷酸二胆碱化壳聚糖盐反应实现聚酯材料表面的磷酸二胆碱化壳聚糖盐固定化，水洗，得到表面兼有抗菌性和生物相容性的聚酯材料。

步骤(1)中所述的胺解技术优选为二胺或多元胺处理；

步骤(1)中所述的等离子体技术优选为N₂或NH₃等离子体处理技术；

步骤(1)中所述的聚酯材料优选为聚乳酸、聚羟基乙酸、聚己内酯、聚(乳酸-羟基乙酸)共聚物、聚羟基烷酸酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯；

步骤(1)中所述的胺基化的条件优选为40～60℃胺基化30min～6h；

步骤(2)中所述的二醛优选为丁二醛或戊二醛。

步骤(2)中所述的醛基化的条件优选为20～40℃醛基化12～24h；

步骤(3)中所述的磷酸二胆碱化壳聚糖盐的分子结构如式I所示：

其中，x/n＝0～0.2，即壳聚糖的脱乙酰度为80％～100％；磷酸二胆碱基团的取代度y/n，优选为y/n＝30％～90％；更优选为y/n＝30％～75％；n为结构式中重复单元数；R^-(反离子R)优选为：卤素离子、硝酸根、甲酸根、醋酸根、水杨酸根或果酸根离子等。

所述的磷酸二胆碱化壳聚糖盐的制备方法，包括如下步骤：

将壳聚糖改性得到的6-O-三苯基甲醚化壳聚糖(CsTr)溶于反应介质；加入双取代胆碱膦酸酯，其中6-O-三苯基甲醚化壳聚糖(CsTr)中的氨基与膦酸酯的摩尔比为1：(2～10)，0～40℃搅拌反应4～24h；旋干溶剂，加入甲酸，室温搅拌0.5～6h；旋干甲酸，用生理盐水和去离子水透析，冷冻干燥，得到磷酸二胆碱化壳聚糖盐酸盐。

所述的壳聚糖改性得到的6-O-三苯基甲醚化壳聚糖(CsTr)按照文献“S.J.Nishmura,O.Kohgo,K.Kurita,Macromolecules24(1991)4745-4748.”中的制备方法制备得到；

所述的6-O-三苯基甲醚化壳聚糖(CsTr)中的氨基与膦酸酯的摩尔比优选为1：(3～8)；

所述的搅拌反应的条件优选为0～40℃搅拌反应6～24h；

所述的室温搅拌的时间优选为1～6h；

所述的反应介质优选为二甲基乙酰胺、三乙胺和四氯化碳的混合溶液；其中每100mL二甲基乙酰胺中含有1～10g的6-O-三苯基甲醚化壳聚糖，优选为含有1.25～1.5g；其中三乙胺、四氯化碳与6-O-三苯基甲醚化壳聚糖的氨基摩尔比例优选为6：4：1；

所述的双取代胆碱膦酸酯由氯化胆碱和对苯氧基膦酸酯按摩尔比2：1在二甲亚砜/吡啶混合溶剂中反应2小时制得；

步骤(3)中所述的固定化的条件优选为20～40℃固定化6～24h；

一种表面兼有抗菌性和生物相容性的聚酯材料，通过上述制备方法制备得到；

所述的表面兼有抗菌性和生物相容性的聚酯材料在医疗领域中的应用，特别适合用于制备植入和介入性医疗器械。

本发明的原理：采用本发明的制备方法制备得到的表面兼有抗菌性和生物相容性的聚酯材料的反应过程如图1所示。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

(1)与现有技术相比，采用的抗菌剂磷酸二胆碱化壳聚糖盐在生理环境下具有良好的细胞相容性、血液相容性和广谱抗菌性，在聚酯材料表面固定的技术条件温和，易操作，可获得表面兼有良好抗菌性和生物相容性的聚酯材料，适用于植入和介入性医疗器械。

(2)而磷酸二胆碱化壳聚糖盐是一种阳离子型细胞膜仿生壳聚糖衍生物，可生物降解，在生理环境下具有良好的细胞相容性、血液相容性和广谱抗菌性，将其固定在聚酯材料表面可有效集成抗菌和生物相容性这两种性能，可广泛用于植入和介入性生物材料及器械。

附图说明

图1是本发明的制备反应过程图。

图2是实施例4中表面固定磷酸二胆碱化壳聚糖盐酸盐的聚己内酯膜的ATR-FTIR谱图。

图3是实施例6中表面固定磷酸二胆碱化壳聚糖盐酸盐的聚己内酯膜的抗菌效果图；其中，图3A为空白；未处理的聚己内酯膜；图3C为表面改性的聚己内酯膜。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1磷酸二胆碱化壳聚糖盐酸盐的制备

取200mg由壳聚糖(x/n＝0)改性得到的6-O-三苯基甲醚化壳聚糖(CsTr)溶于15mL无水二甲基乙酰胺，同时加入0.42mL的三乙胺和0.19mL的四氯化碳；缓慢加入0.46g双取代胆碱膦酸酯，其中CsTr中的氨基与膦酸酯的摩尔比为1：3，0℃搅拌反应6小时；旋干溶剂，加入甲酸，室温搅拌1小时；旋干甲酸，用生理盐水和去离子水透析3天，冷冻干燥，得到磷酸二胆碱化壳聚糖盐酸盐。其中磷酸二胆碱基团的取代度为30％。

实施例2磷酸二胆碱化壳聚糖盐酸盐的制备

取500mg由壳聚糖(x/n＝0.2)改性得到的6-O-三苯基甲醚化壳聚糖(CsTr)溶于40mL无水二甲基乙酰胺，同时加入1.05mL的三乙胺和0.49mL的四氯化碳；缓慢加入2.3g双取代胆碱膦酸酯，其中CsTr中的氨基与膦酸酯的摩尔比为1：6，25℃搅拌反应12小时；旋干溶剂，加入甲酸，室温搅拌3小时；旋干甲酸，用生理盐水和去离子水透析3天，冷冻干燥，得到磷酸二胆碱化壳聚糖盐酸盐。其中磷酸二胆碱基团的取代度为50％。

实施例3磷酸二胆碱化壳聚糖盐酸盐的制备

取300mg由壳聚糖(x/n＝0.1)改性得到的6-O-三苯基甲醚化壳聚糖(CsTr)溶于20mL无水二甲基乙酰胺，同时加入0.63mL的三乙胺和0.29mL的四氯化碳；缓慢加入1.84g双取代胆碱膦酸酯，其中CsTr中的氨基与膦酸酯的摩尔比为1：8，40℃搅拌反应24小时；旋干溶剂，加入甲酸，室温搅拌6小时；旋干甲酸，用生理盐水和去离子水透析3天，冷冻干燥，得到磷酸二胆碱化壳聚糖盐酸盐。其中磷酸二胆碱基团的取代度为75％。

实施例4聚己内酯膜表面磷酸二胆碱化壳聚糖盐酸盐的固定化

聚己内酯膜采用乙醇/水(1:1，v/v)混合溶剂清洗，以除去粘附在表面的油脂和其它杂质。随后浸入到0.06g/mL的1,6-己二胺/正丙醇溶液中，40℃下胺解反应6h，去离子水清洗，实现表面胺基化；再浸泡在2％(V/V)的戊二醛水溶液中室温反应24h，实现表面醛基化；然后将表面醛基化的聚己内酯膜浸泡在5mg/mL磷酸二胆碱化壳聚糖盐酸盐(实施例1制备)溶液中，室温反应24h，然后去离子水清洗，实现表面的磷酸二胆碱化壳聚糖盐固定化，得到表面兼有抗菌性和生物相容性的聚己内酯膜，其表面红外光谱如图2所示。

实施例5聚乳酸膜表面磷酸二胆碱化壳聚糖盐酸盐的固定化

首先将聚乳酸膜置于等离子体处理仪的反应室内，抽真空至10Pa左右，然后充入氮气至反应室气体压强为30Pa，放电功率50W下等离子体改性处理30min，实现表面胺基化；将表面胺基化的聚乳酸膜浸泡在2％(V/V)的戊二醛水溶液中，40℃反应12h，实现表面醛基化；再将表面醛基化的聚乳酸膜浸泡在5mg/mL磷酸二胆碱化壳聚糖盐酸盐(实施例1制备)溶液中，40℃反应6h，然后去离子水清洗，实现表面的磷酸二胆碱化壳聚糖盐固定化，得到表面兼有抗菌性和生物相容性的聚乳酸膜。

实施例6表面固定磷酸二胆碱化壳聚糖盐酸盐的聚己内酯膜的抑菌性能评价。

以大肠杆菌(Escherichiacoli)(市售)(革兰氏阴性菌)为细菌模型，测定实施例4制备的聚己内酯膜表面固定磷酸二胆碱化壳聚糖盐(取代度＝30％)在37℃，pH＝7条件下的抑菌性。将大肠杆菌菌液OD₅₉₈＝0.1(10⁶～10⁸CFU/mL)100μL滴加在表面固定磷酸二胆碱化壳聚糖盐的聚己内酯膜(1cm²)上，37℃恒温摇床内培养3h后，将其放入无菌水中超声10min，洗脱表面细菌。取50μL洗脱液均匀涂布于LB固体培养基培养18h。观察细菌生长情况(见图3)，结果表明聚己内酯膜表面固定磷酸二胆碱化壳聚糖盐抑菌率高于95％，满足抗菌材料对细菌的抑菌要求。

实施例7表面固定磷酸二胆碱化壳聚糖盐酸盐的聚己内酯膜的生物相容性评价

依据国家标准GB/T16886.4和16886.5测试实施例4制备的表面固定磷酸二胆碱化壳聚糖盐酸盐的聚己内酯膜的体外生物相容性，包括细胞毒性和溶血率。结果表明表面固定磷酸二胆碱化壳聚糖盐酸盐的聚己内酯膜的溶血率为0.6％，满足医用材料低于5％的要求；对L929的细胞毒性为0级，具有良好的细胞相容性，满足医用材料对细胞相容性的要求。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种表面兼有抗菌性和生物相容性的聚酯材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)利用胺解或等离子体技术实现聚酯材料表面的胺基化，得到表面胺基化的聚酯材料；

(2)将步骤(1)得到的表面胺基化的聚酯材料与二醛反应实现聚酯材料表面的醛基化，得到表面醛基化的聚酯材料；

(3)将步骤(2)得到的表面醛基化的聚酯材料与磷酸二胆碱化壳聚糖盐反应实现聚酯材料表面的磷酸二胆碱化壳聚糖盐固定化，水洗，得到表面兼有抗菌性和生物相容性的聚酯材料。

2.根据权利要求1所述的表面兼有抗菌性和生物相容性的聚酯材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的胺解技术为二胺或多元胺处理；

步骤(1)中所述的等离子体技术为N₂或NH₃等离子体处理技术。

3.根据权利要求1所述的表面兼有抗菌性和生物相容性的聚酯材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的聚酯材料为聚乳酸、聚羟基乙酸、聚己内酯、聚(乳酸-羟基乙酸)共聚物、聚羟基烷酸酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯。

4.根据权利要求1所述的表面兼有抗菌性和生物相容性的聚酯材料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的二醛为丁二醛或戊二醛。

5.根据权利要求1所述的表面兼有抗菌性和生物相容性的聚酯材料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的磷酸二胆碱化壳聚糖盐的分子结构如式I所示：

其中，x/n＝0～0.2，即壳聚糖的脱乙酰度为80％～100％；磷酸二胆碱基团的取代度y/n＝30％～90％；n为结构式中重复单元数；R^-为：卤素离子、硝酸根、甲酸根、醋酸根、水杨酸根或果酸根离子。

6.根据权利要求1或5所述的表面兼有抗菌性和生物相容性的聚酯材料的制备方法，其特征在于：

所述的磷酸二胆碱化壳聚糖盐的制备方法，包括如下步骤：

将壳聚糖改性得到的6-O-三苯基甲醚化壳聚糖溶于反应介质；加入双取代胆碱膦酸酯，其中6-O-三苯基甲醚化壳聚糖中的氨基与膦酸酯的摩尔比为1：(2～10)，0～40℃搅拌反应4～24h；旋干溶剂，加入甲酸，室温搅拌0.5～6h；旋干甲酸，用生理盐水和去离子水透析，冷冻干燥，得到磷酸二胆碱化壳聚糖盐酸盐。

7.根据权利要求6所述的表面兼有抗菌性和生物相容性的聚酯材料的制备方法，其特征在于：

所述的反应介质为二甲基乙酰胺、三乙胺和四氯化碳的混合溶液；其中每100mL二甲基乙酰胺中含有1～10g的6-O-三苯基甲醚化壳聚糖，其中三乙胺、四氯化碳与6-O-三苯基甲醚化壳聚糖的氨基摩尔比例为6：4：1。

8.根据权利要求1所述的表面兼有抗菌性和生物相容性的聚酯材料的制备方法，其特征在于：

步骤(1)中所述的胺基化的条件为40～60℃胺基化30min～6h；

步骤(2)中所述的醛基化的条件为20～40℃醛基化12～24h；

步骤(3)中所述的固定化的条件为20～40℃固定化6～24h。

9.一种表面兼有抗菌性和生物相容性的聚酯材料，其特征在于：通过权利要求1～8任一项所述的制备方法制备得到。

10.权利要求9所述的表面兼有抗菌性和生物相容性的聚酯材料在医疗领域中的应用。