CN105419332B - 一种抗菌型复合材料及其制法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抗菌型复合材料，它是一种抗菌性两亲生物碳材料和树脂组成的抗菌型复合材料，所述的抗菌性两亲生物碳材料是以两亲生物碳材料为载体，在两亲生物碳材料表面以共价键修饰有季铵化聚乙烯亚胺的抗菌性两亲生物碳材料，所述的抗菌性两亲生物碳材料均匀掺杂到疏水性树脂中组成抗菌型复合材料，本发明的制备方法，其工艺简单易操作，所用的新型抗菌材料生态环保，无毒，不易渗透皮肤，最终的成品具有持久稳定的抗菌功能，制成导尿管等医疗器械可以显著降低泌尿系统的感染率，减少患者的痛苦，降低医疗费用。本发明公开了其制法。

Description

一种抗菌型复合材料及其制法和用途
技术领域
本发明涉及一种抗菌型复合材料，特别涉及一种抗菌型导尿管。
背景技术
蛋白质/细菌的表面非特异性吸附/粘附是器物表面形成生物污垢的重要原因。通常，蛋白质将首先非特异吸附在材料表面形成条件层，进而引起细菌的黏附、繁殖、以及最终形成生物膜。在该研究领域，人们目前主要采用表面接枝亲水聚合物的策略应对蛋白质和细菌的双重挑战，这些亲水聚合物包括聚乙二醇/聚氧乙烯类、聚羟乙基甲基丙烯酸酯和聚N-(2-羟丙基)甲基丙烯酰、羧酸甜菜碱两性离子共聚物等。尽管这些亲水聚合物表面可以通过亲水聚合物与水之间的强烈氢键或离子作用，诱导表面形成水化膜以阻止/排斥蛋白质的抵近和细菌的贴壁，但是，亲水聚合物的抗污性能高度依赖表面水化，高度依赖表面的物理化学性质(材料表面的性质、粗糙度，亲水聚合物在材料表面的接枝密度和厚度等)，导致其表面修饰过程复杂而繁冗。其次，任何影响表面水化的外界因素都会影响亲水聚合物的抗污性能。例如，聚乙二醇在过渡金属离子存在或有氧条件下会逐渐氧化降解。此外，对于导尿管、植入性医用装置等生物材料，人们不仅希望其表面具有低污或非污特性，还希望其表面具有根除蛋白质/细菌污垢的作用(降解表面吸附的蛋白质或杀灭粘附的细菌)。
因此，如何通过简单而有效的途径去除蛋白质/细菌污垢，减少表面生物污染，仍然是当今生化分离、食品包装材料等领域的研究热点和难点。探索广谱、高效的抗菌材料依然是科学家们研究的热点问题。
导尿管是医院最常用的医疗器械之一，而由导尿管引发的尿路感染也是最常见的一种临床细菌感染。留置导尿管引发尿路感染最主要的原因是导尿管能够抑制或弱化机体的正常防御机制,导致细菌化物膜的形成。这种感染不仅给患者带来了极大的痛苦,而且还消耗了额外的卫生资源。
对于导尿管，人们不仅希望其表面具有低污或非污特性，还希望其表面具有根除蛋白质/细菌污垢的作用(降解表面吸附的蛋白质或杀灭粘附的细菌)。
因此，如何通过简单而有效的途径去除蛋白质/细菌污垢，减少表面生物污染，仍然是当今生物医用材料的研究热点和难点。
目前，国家食品药品监督管理总局批准的抗菌导尿管只有三家，分别是北京扶泰敏德医药技术有限公司、广州维力医疗器械股份有限公司和美新昕医疗器械(上海)有限公司，其抗菌效果均来自涂于导尿管外表面的含银涂层，一旦银离子释放完毕，导尿管便失去抗菌作用。抗菌效果时间短，对于需要长期留置导尿管的患者来说，很容易引起泌尿系统的感染，给患者带来更多的痛苦，普通导尿管没有杀菌作用，更易引起泌尿系统的感染。
另外，纳米银颗粒在加工过程以及导尿管制备过程中，作为固体粉末或其他形式，可以通过呼吸道、消化道、皮肤以及直接包埋等途径进入人体，对人体产生潜在的危害；银离子还会对环境造成重金属污染，给水体带来巨大破坏。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型抗菌型复合材料，可以持久稳定地有效抑制细菌生长，用其制备医疗器械可以避免人体器官的感染问题。
本发明的技术方案如下：
一种抗菌型复合材料，它是一种抗菌性两亲生物碳材料和树脂组成的抗菌型复合材料，所述的抗菌性两亲生物碳材料是以两亲生物碳材料为载体，在两亲生物碳材料表面以共价键修饰有季铵化聚乙烯亚胺的抗菌性两亲生物碳材料，所述的抗菌性两亲生物碳材料均匀掺杂到疏水性树脂中组成抗菌型复合材料，所述的疏水性树脂可以是硅橡胶(二甲基硅橡胶、甲基乙基硅橡胶、甲基苯基乙烯基硅橡胶、氟基硅橡胶)包括医用硅橡胶、乳胶包括医用乳胶、天然橡胶包括医用天然橡胶及塑胶包括医用塑胶(如PVC聚氯乙烯，PU聚氨酯、PP聚丙烯、PE聚乙烯)，优选的是医用硅橡胶。
上述的抗菌型复合材料，所述的抗菌性两亲生物碳材料和树脂的质量比为1:100～1:50
一种制备上述抗菌型复合材料的方法，它包括如下步骤：
步骤1、聚乙烯亚胺化两亲生物碳材料微粒的合成：
称取两亲生物碳材料微粒置于离心管中超声分散于PB缓冲液(pH5.5)中，依次加入适量过量的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、N-羟基丁二酰亚胺，之后放在摇床上(180r/min)充分振摇2-4h(活化两亲生物碳材料上的羧基)，反应完成后用PB缓冲液离心(10000r/min,3min)洗涤3-5次，再将所得固体重新分散于PB缓冲液中，然后称取聚乙烯亚胺(PEI)加入到所述的缓冲液中，放在摇床上(180r/min)充分振摇8-10h，反应完成后用蒸馏水离心洗涤3-5次，放入40°真空干燥箱中干燥，即得聚乙烯亚胺化两亲生物碳材料微粒(ACPs-PEI)；
步骤2、季铵化聚乙烯亚胺两亲生物碳材料微粒的制备：
称取聚乙烯亚胺化两亲生物碳材料微粒，超声分散于装有N,N-二甲基甲酰胺溶剂的三颈瓶中，加入1-溴己烷(CH3(CH2)5Br)，其添加量与ACPs-PEI的比例为10:1ml/g,混合体系超声分散之后，加入磁子在恒温磁力搅拌器90℃条件下搅拌反应10-12h，然后将反应体系温度降至50℃再加入与1-溴己烷等量的碘甲烷(CH3I)，继续搅拌反应10-12h，反应结束后对反应液进行抽滤，并分别用乙醇和蒸馏水对微粒彻底洗涤，放入40℃真空干燥箱中干燥，即得季铵化聚乙烯亚胺两亲生物碳材料微粒(ACPs-QPEI)；
步骤3、上述抗菌型复合材料的制备：
将季铵化聚乙烯亚胺两亲生物碳材料微粒与树脂以质量比1:100～1:50共混或混炼，即得抗菌型复合材料。
上述的制备方法，步骤1所述的两亲生物碳材料微粒与1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、N-羟基丁二酰亚胺、聚乙烯亚胺的质量比为1:1～4:1～4:1～3。
上述的制备方法，步骤2所述的所述的用聚乙烯亚胺修饰过的两亲生物碳材料微粒与1-溴代己烷、碘甲烷的比例为1g:5～15ml:5～15ml。
上述的制备方法，步骤3所述的共混是当所述的树脂是硅橡胶时，可按如下方法制备：称取一定量硅橡胶，再称取季铵化聚乙烯亚胺碳材料微粒，加入少量的丙酮中，超声使季铵化聚乙烯亚胺碳材料微粒完全分散开之后，将含季铵化聚乙烯亚胺碳材料微粒的丙酮溶液倒入硅橡胶中超声搅拌，随后加入硅橡胶固化剂，充分搅拌之后放入真空干燥箱中真空抽去硅橡胶中气泡，固化后即得到季铵化聚乙烯亚胺碳材料微粒/硅橡胶组成的抗菌型复合材料成品。
上述的制备方法，步骤3所述的共混是当所述的树脂是乳胶时，可按如下方法制备：称取一定量乳胶，再称取季铵化聚乙烯亚胺碳材料微粒，将季铵化聚乙烯亚胺碳材料微粒加到塑炼后的乳胶中进行混炼，混炼均匀后，硫化制得季铵化聚乙烯亚胺碳材料微粒/乳胶组成的抗菌型复合材料成品。
上述的制备方法，步骤3所述的共混是当所述的树脂是塑胶时，可按如下方法制备：称取一定量塑胶，再称取季铵化聚乙烯亚胺碳材料微粒，将季铵化聚乙烯亚胺碳材料微粒加到塑胶中进行混炼，混炼均匀后，切粒，制得季铵化聚乙烯亚胺碳材料微粒/塑胶组成的抗菌型复合材料的粒料。
上述的抗菌型复合材料可以按照常规工艺制备医疗器械、儿童玩具以及需要防止细菌感染的器具。
上述的抗菌型复合材料在制备医疗器械、儿童玩具以及需要防止细菌感染的器具中的应用。
上述的抗菌型复合材料的季铵化聚乙烯亚胺碳材料微粒和医用硅橡胶组成的抗菌型复合材料在制备导尿管中的应用。
本发明的有益效果：本发明提供了一种新型抗菌导尿管及其制备方法，其抗菌效果来自该新型抗菌材料季铵化聚乙烯亚胺两亲生物碳材料微粒，该新型抗菌材料生态环保，不会对环境造成二次污染。将其加入到导尿管的原材料中，其抗菌效果显著(见图9，图10)，不影响导尿管原材料的拉伸性能及生理惰性，对皮肤无刺激作用。由于加入方式是将该新型抗菌材料均匀的混合于导尿管本体，为接触式杀菌，不仅可以杀死人体外的细菌，也可将膀胱内的细菌杀除，以持久稳定有效地预防泌尿系统的感染问题。同时，还可以延长导尿管的留置时间，减少了因置换导尿管给患者带来的伤痛，降低了医疗费用。本发明的制备方法工艺简单，易操作。
附图说明
图1、季铵化聚乙烯亚胺两亲生物碳材料微粒在不同溶剂中的分散性图。其中a为水，b为丙酮，c为氯仿，d为甲苯，e为N,N-二甲基甲酰胺，f为水和氯仿混合体系。
图2、季铵化聚乙烯亚胺两亲生物碳材料微粒的粒径分布图。PDI表示粒径分布指数。
图3、季铵化聚乙烯亚胺两亲生物碳材料微粒的电位图。
图4、季铵化聚乙烯亚胺两亲生物碳材料微粒对金黄色葡萄球菌的抗菌效果图。
图5、季铵化聚乙烯亚胺两亲生物碳材料微粒对大肠杆菌的抗菌效果图。
图6、季铵化聚乙烯亚胺两亲生物碳材料微粒在硅橡胶中分散性图片。
图7、添加两亲性生物两亲生物碳材料微粒和季铵化聚乙烯亚胺两亲生物碳材料微粒的硅橡胶图片。
图8、制备硅橡胶导尿管实物。空白对照硅橡胶导尿管(左)，添加ACPs的硅橡胶导尿管(中)，添加ACPs-QPEI的硅橡胶导尿管(右)。
图9、不同膜的接触角图。其中，a＝107.5°，为硅橡胶膜(SR)；b＝88.5°，为添加两亲性生物碳材料微粒的硅橡胶膜(SR/ACPs)；c＝85°，为添加季铵化聚乙烯亚胺两亲生物碳材料微粒的硅橡胶膜(SR/ACPs-QPEI)。
图10、不同膜对金黄色葡萄球菌抗细菌粘附图片。a为硅橡胶膜(SR)，b为添加两亲性生物碳材料微粒的硅橡胶膜(SR/ACPs)，C为添加聚乙烯亚胺化两亲生物碳材料微粒的硅橡胶膜(SR/ACPs-PEI)，d为添加季铵化聚乙烯亚胺碳渣微粒的硅橡胶膜(SR/ACPs-QPEI)。
图11、添加季铵化聚乙烯亚胺两亲生物碳材料微粒的硅橡胶膜的抗菌效果--重复利用性效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明作详细描述：
实施例1制备季铵化聚乙烯亚胺两亲生物碳材料微粒
(1)将10g酵母菌震摇分散，取其上层灰白色菌悬液离心，弃去废液，然后加入20ml丙酮，震摇5-20min，离心，弃去丙酮，同法重复操作3-5次，将底物用2％的戊二醛水溶液分散，倒入高温高压反应釜中，于150-200℃下反应8-10h，反应结束后，冷至室温，倒掉上层溶液，将下层沉淀用蒸馏水反复超声洗涤，最后置于烘箱中干燥即得两亲性生物碳材料微粒。
(2)称取两亲性生物碳材料微粒200mg超声分散于20ml PB缓冲液(PH5.5)中，依次加入适量过量的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、N-羟基丁二酰亚胺，之后充分振摇2h，反应完成后用PB缓冲液离心(10000r/min,3min)洗涤3次。再将所得沉淀分散于20mlPB缓冲液中，然后加入200mg聚乙烯亚胺(PEI)，充分振摇反应8h，反应完成后用蒸馏水离心洗涤3次，于40°下鼓风干燥。所得产物为聚乙烯亚胺化两亲生物碳材料微粒(简写为ACPs-PEI)。
(3)称取200mg的聚乙烯亚胺化碳渣微粒超声分散于N,N-二甲基甲酰胺中，再加入一定量的1-溴己烷(CH3(CH2)5Br)，其添加量与ACPs-PEI的比例为10:1ml/g,混合体系超声分散之后，于90℃条件下搅拌反应12h，然后将反应体系温度降至50℃再加入与1-溴己烷等量的碘甲烷(CH3I)，继续搅拌反应12h。反应结束后对反应液进行抽滤，并分别用乙醇和蒸馏水对微粒彻底洗涤，于40°下鼓风干燥。所得产物为季铵化聚乙烯亚胺两亲生物碳材料微粒(简写为ACPs-QPEI)。
实施例2制备季铵化聚乙烯亚胺碳渣微粒/硅橡胶混合物
将季铵化聚乙烯亚胺碳渣微粒50mg按照质量分数为1:100的比例加入到5g硅橡胶液中，充分混合均匀；
1、制备抗菌硅橡胶导尿管
将上述混合物按照常规导尿管的制备工艺制成新型抗菌导尿管。
2、拉伸性能，撕裂性能，弹性模量和断裂伸长率以及邵氏A硬度测试结果
3、抗菌效果测试结果
选用大肠杆菌(E.coli)分离株作为测试膜的抗菌活性的革兰氏阴性菌和选用金黄色葡萄球菌(S.aureus)分离株作为测试膜的抗菌活性的革兰氏阳性菌，抗菌颗粒测试结果如图4，图5，由图可知，季铵化聚乙烯亚胺碳渣微粒对革兰氏阴性菌大肠杆菌(E.coli)的最低抑菌浓度(MIC)为3.0mg/ml左右，对革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌(S.aureus)的最低抑菌浓度(MIC)为1.2mg/ml左右；添加为1wt％的抗菌颗粒/硅橡胶复合材料抗细菌黏附结果如图9，图10。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，在不背离本发明精神及其实质的情况下，所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明所附的权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种抗菌型复合材料，其特征是：它是一种抗菌性两亲生物碳材料和树脂组成的抗菌型复合材料，所述的抗菌性两亲生物碳材料是以两亲生物碳材料为载体，在两亲生物碳材料表面以共价键修饰有季铵化聚乙烯亚胺的抗菌性两亲生物碳材料，所述的抗菌性两亲生物碳材料均匀掺杂到疏水性树脂中组成抗菌型复合材料，所述的疏水性树脂是硅橡胶、乳胶、或塑胶。
2.根据权利要求1所述的抗菌型复合材料，其特征是：所述的塑胶是PVC聚氯乙烯，PU聚氨酯、PP聚丙烯或PE聚乙烯；所述的硅橡胶是二甲基硅橡胶、甲基乙基硅橡胶、甲基苯基乙烯基硅橡胶或氟基硅橡胶。
3.根据权利要求1所述的抗菌型复合材料，其特征是：所述的抗菌性两亲生物碳材料和树脂的质量比为1:100～1:50。
4.一种制备权利要求1所述抗菌型复合材料的方法，其特征是它包括如下步骤：
步骤1、聚乙烯亚胺化两亲生物碳材料微粒的合成：
称取两亲生物碳材料微粒置于离心管中超声分散于PB缓冲液(pH5.5)中，依次加入适量过量的1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、N-羟基丁二酰亚胺，之后放在摇床上(180r/min)充分振摇2-4h，以活化两亲生物碳材料上的羧基，反应完成后用PB缓冲液离心(10000r/min,3min)洗涤3-5次，再将所得固体重新分散于PB缓冲液中，然后称取聚乙烯亚胺(PEI)加入到所述的缓冲液中，放在摇床上(180r/min)充分振摇8-10h，反应完成后用蒸馏水离心洗涤，放入40℃真空干燥箱中干燥，即得聚乙烯亚胺化两亲生物碳材料微粒(ACPs-PEI)；
步骤2、季铵化聚乙烯亚胺两亲生物碳材料微粒的制备：
称取聚乙烯亚胺化两亲生物碳材料微粒，超声分散于装有N,N-二甲基甲酰胺溶剂的三颈瓶中，加入1-溴己烷，其添加量与ACPs-PEI的比例为10:1ml/g,混合体系超声分散之后，加入磁子在恒温磁力搅拌器90℃条件下搅拌反应10-12h，然后将反应体系温度降至50℃再加入与1-溴己烷等量的碘甲烷(CH3I)，继续搅拌反应10-12h，反应结束后对反应液进行抽滤，并分别用乙醇和蒸馏水对微粒彻底洗涤，放入40℃真空干燥箱中干燥，即得季铵化聚乙烯亚胺两亲生物碳材料微粒(ACPs-QPEI)；
步骤3、抗菌型复合材料的制备：
将季铵化聚乙烯亚胺两亲生物碳材料微粒与树脂以质量比1:100～1:50共混或混炼，即得抗菌型复合材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征是：步骤1所述的两亲生物碳材料微粒与1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、N-羟基丁二酰亚胺、聚乙烯亚胺的质量比为1:1～4:1～4:1～3。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征是：步骤2所述的用聚乙烯亚胺修饰过的两亲生物碳材料微粒与1-溴代己烷、碘甲烷的比例为1g:5～15ml:5～15ml。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征是：步骤3所述的共混是硅橡胶时，按如下方法制备：称取一定量硅橡胶，再称取季铵化聚乙烯亚胺碳材料微粒，加入少量的丙酮中，超声使季铵化聚乙烯亚胺碳材料微粒完全分散开之后，将含季铵化聚乙烯亚胺碳材料微粒的丙酮溶液倒入硅橡胶中超声搅拌，随后加入硅橡胶固化剂，充分搅拌之后放入真空干燥箱中真空抽去硅橡胶中气泡，固化后即得到季铵化聚乙烯亚胺碳材料微粒/硅橡胶组成的抗菌型复合材料成品。
8.权利要求1所述的抗菌型复合材料在制备医疗器械、儿童玩具中的应用。
9.权利要求1所述的抗菌型复合材料的季铵化聚乙烯亚胺碳材料微粒和医用硅橡胶组成的抗菌型复合材料在制备导尿管中的应用。
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