CN106620900B - 一种基于仿生多巴胺原位还原纳米银的多层膜长效抗菌涂层的制备方法 - Google Patents

一种基于仿生多巴胺原位还原纳米银的多层膜长效抗菌涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种基于仿生多巴胺原位还原纳米银的多层膜长效抗菌涂层的制备方法，通过层层自组装的涂层方法获得了在原位还原纳米银的有机‑无机杂化水凝胶涂层，通过对硝酸银浓度和多层膜层数的调整来控制纳米银的尺寸分布和总的含量，进而控制银离子的释放行为和生物相容性。银离子的缓慢释放赋予材料长效的抗菌功能，调控多层膜的层数来控制涂层的细胞毒性，实现高效抗菌和良好生物相容性的协同作用。该涂层具有对抗革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的高效和长效杀菌的能力，对成纤维细胞和人晶状体上皮细胞较低的细胞毒性。工艺简单、快捷，条件温和，易于浸涂、喷涂等可工业实的方式实现，适用范围广，能够有效地的改善医用装置表面的抗菌性能，生物相容性。

Description

一种基于仿生多巴胺原位还原纳米银的多层膜长效抗菌涂层 的制备方法
技术领域
本发明具体涉及新材料技术领域，具体涉及一种基于仿生多巴胺原位还原纳米银的多层膜长效抗菌涂层的制备方法。
背景技术
随着材料科学、医学的迅速发展，医用生物材料得到了广泛的应用，但随之而来的问题也很多，其中最根本的问题就是生物材料感染。
首先，细菌利用表面疏水性蛋白或多糖黏附素在生物材料表面粘附，随后，通过多糖胞间黏附素介导相互聚集形成致密的生物膜殖，释放浮游菌体和毒素，最后引发感染。致密的生物膜能有效抵御机体的防御反应和抗生素。在发展中国家,大约有 65%~80%的感染与细菌生物膜形成有关。相关数据显示，每天全世界院内感染人数超过1400 万人, 其中60%的细菌感染与使用的医疗器械有关。因此在不破坏其性能的条件下，通过对生物医疗装置表面进行修饰，从而达到抗细菌粘附和生物膜形成已经迫在眉睫。
因此寻求一种简单、有效的表面修饰手段对医用装置表面进行修饰成为解决问题的关键所在。而层层自组装技术具有简单、易于操作的特点，并且使膜层具有其组分的复合功能，有望得到兼具抗细菌黏附和杀菌的性能。
发明内容
为了解决现有技术的缺陷及不足。本发明提供了一种基于仿生多巴胺原位还原纳米银的多层膜长效抗菌涂层的制备方法。
本发明采用的技术解决方案是：一种基于仿生多巴胺原位还原纳米银的多层膜长效抗菌涂层的制备方法，包括以下步骤：
（1）基材的表面预处理：将基材置于1-5mg/ml的聚乙烯亚胺（PEI）水溶液中，浸泡，获得表面胺基化的基材；
（2）用仿生多巴胺（dopa）对聚丙烯酸（PAA）进行修饰，得到聚丙烯酸-多巴胺（PAA-dopa）接枝产物；
（3）将表面预处理后的基材置于聚乙烯亚胺(PEI)水溶液中，获得表面胺基化的基材；
（4）使用PAA-dopa和PEI-Ag+溶液，通过层层自组装的涂层方法获得了在原位还原纳米银的有机-无机杂化水凝胶涂层。
所述的基材为玻璃、石英、硅片、不锈钢、聚酯膜、硅胶中的一种。
所述的步骤（2）聚丙烯酸-多巴胺（PAA-dopa）接枝产物制备步骤如下：将聚丙烯酸（35wt%、4g）、仿生多巴胺(0.35g)、可溶于水的碳二亚胺(0.2g)、N-羟基琥珀酰亚胺（0.05g）加入到50ml水中，搅拌，反应8 h，用去离子水透析72h，最后在-20℃冷冻干燥，通过核磁确定产物的接枝率。
所述的步骤（4）中层层自组装的涂层的制备步骤如下：将上述表面胺基化的基材放入0.5-5mg/ml的 PAA-dopa水溶液中浸泡6-8分钟，然后用相同pH值的洗液清洗2-3分钟，用氮气吹干，放入含有0.1-2.0mg/mL硝酸银的0.5-5mg/ml 的PEI-Ag+水溶液中浸泡6-8min，用相同pH值的洗液清洗2-3分钟，氮气吹干，至此完成一个双层膜的制备，重复以上操作，直到完成整个多层膜涂层的制备。
所述的步骤（4）中纳米银粒径分布为5-50 nm。
所述的步骤（1）中基材置于1-5mg/ml的聚乙烯亚胺（PEI）水溶液中浸泡0.5-12小时。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于仿生多巴胺原位还原纳米银的多层膜长效抗菌涂层的制备方法，本发明膜层组装过程中原位化学还原银离子成为纳米银，得到粒径分布于5-50 nm之间，通过银离子的释放实现该涂层材料对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌高效和长效的杀菌功能。聚乙烯醇的含量增加提高了涂层的抗细菌黏附能力。凝胶涂层对银离子的控制释放降低了体系的细胞毒性，表现出对成纤维细胞和人晶状体上皮细胞较低的细胞毒性，因此该膜层具有良好的细胞相容性，本发明涂层溶液配制简便，能实现无污染操作，可采用浸涂、喷涂等可工业实现的方式，适用范围广，能够对具有复杂体型结构的生物医用装置进行涂层修饰；涂层可改善医用装置表面的抗菌性能，和生物相容性，在人体环境下以水凝胶的形式存在；涂层材料化学结构稳定，耐疲劳、剪切，能适应人体的内环境；涂层能够实现广谱的多功能抗菌的能力。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
基材表面预处理：
将各基材（玻璃、石英、硅片、不锈钢、聚酯膜、硅胶等）经刀片或玻璃刀裁剪成1×2cm2大小，然后依次用前经乙醇和超纯水分别超声2-3min清洗，N2吹干。清洗过的基材将洗净的基材置于将洗净的基材置于0.5-5mg/ml的PEI水溶液中，浸泡0.5-12h，获得表面胺基化的基材。下列实施例中所用的基材均为通过上述表面与处理过后的基材。
实施例1：
配制0.5mg/mL的dopa-PAA溶液，测定pH值为2.71。取50ml超纯水于50ml离心管中，调节pH为2.71，标为洗液1。
配制0.1mg/mL的硝酸银溶解于50ml 的0.5mg/ml的PEI中磁力搅拌，测定pH为5.76。取50ml超纯水于50ml离心管中调节pH值为5.76，标为洗液2。
将经过预处理以后的基材加入dopa-PAA溶液中浸泡6-8min,取出，放入洗液1清洗2-3min，取出，用N2吹干。再将其放入PEI-Ag+溶液中浸泡6-8min，取出，放入洗液2中清洗2-3min，取出，用N2吹干。至此完成一个双层的制备。分别制备6,、9、12、15双层。
静态接触角研究发现涂膜后亲水性显著增加，和单纯的基材相比，由70.45±0.43°减到65.32±1.35°，透射电镜下观察膜层中纳米银的分布，发现纳米银均匀分布在5.1nm、5.9nm和6.7nm左右。通过抑菌环实验发现抑菌环分别为2.3mm、2.8mm和3.4mm，其抗菌效果明显增加。测定对成纤维细胞和人晶状体上皮细胞的细胞毒性较低，为组织培养用聚苯乙烯(Tissue culture polystyrenes, TCPS)上细胞活性的95%以上。
实施例 2：
配制1mg/mL的 dopa-PAA溶解于100mL水中，磁力搅拌，测定pH值为2.4。取100ml超纯水于烧杯中，调节到相同的pH值，标为洗液1。
配制0.5mg/mL的硝酸银溶解于50mL，1mg/ml的PEI，磁力搅拌，测定pH值为8.60。取50ml超纯水于50ml离心管中，调节到相同的pH值，标为洗液2。将经过预处理以后的基材加入dopa-PAA溶液中浸泡6~8min,取出，放入洗液1中清洗2-3min，取出，用N2吹干。再将其放入PEI-Ag+溶液中浸泡6~8min，取出，放入洗液2中清洗2-3min，取出，用N2吹干。至此完成一个双层膜的制备。分别制备6、9、12、15双层。
利用透射电镜观察涂层中纳米银的分布，结果显示纳米银分布较为均匀，分别分布在6.3nm、9.5nm、16.3nm和27.5nm左右。测得四种涂层对大肠杆菌的抑菌环分别为3.4mm、6.9mm、8.2mm和12.6mm，均能在10min内杀灭99.99%的浓度为106 CFU/mL的金黄色葡萄球菌。四种涂层对成纤维细胞和人晶状体上皮细胞毒性较低，细胞活性超过TCPS的89%，因此具有良好的细胞相容性。
实施例 3：
配制5mg/mL的 dopa-PAA溶解于100mL水中，磁力搅拌，测定pH值为2.3。取100ml超纯水于烧杯中，调节到相同的pH值，标为洗液1。
配制1.0mg/mL的硝酸银溶解于50mL，1mg/ml的PEI，磁力搅拌，测定pH值为8.66。取50ml超纯水于50ml离心管中，调节到相同的pH值，标为洗液2。将经过预处理以后的基材加入dopa-PAA溶液中浸泡6~8min,取出，放入洗液1中清洗2-3min，取出，用N2吹干。再将其放入PEI-Ag+溶液中浸泡6~8min，取出，放入洗液2中清洗2-3min，取出，用N2吹干。至此完成一个双层膜的制备。分别制备6、9、12、15双层。
利用透射电镜观察涂层中纳米银的分布，结果显示纳米银分布较为均匀，分别分布在17.2nm、20.1nm、27.5nm和42.1nm左右。测得四种涂层对大肠杆菌的抑菌环分别为5.9mm、9.8mm、17.6mm和24.2mm，均能在10min内杀灭99.99%的浓度为106 CFU/mL的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌。通过细菌死活染色观察到在涂层表面，99.9%以上的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌被杀死（红色），因此可以看出涂层具有高效的杀菌作用。四种涂层对成纤维细胞和人晶状体上皮细胞毒性较低，细胞活性超过TCPS的85%，因此具有良好的细胞相容性。
实施例 4：
配制2.5mg/mL的 dopa-PAA溶解于100mL水中，磁力搅拌，测定pH值为2.6。取100ml超纯水于烧杯中，调节到相同的pH值，标为洗液1。
配制2.0mg/mL的硝酸银溶解于50mL，5mg/ml的PEI，磁力搅拌，测定pH值为9.29。取50ml超纯水于50ml离心管中，调节到相同的pH值，标为洗液2。将经过预处理以后的基材加入dopa-PAA溶液中浸泡6~8min,取出，放入洗液1中清洗2-3min，取出，用N2吹干。再将其放入PEI-Ag+溶液中浸泡6~8min，取出，放入洗液2中清洗2-3min，取出，用N2吹干。至此完成一个双层膜的制备。分别制备6、9、12双层。
利用透射电镜观察涂层中纳米银的分布，结果显示纳米银分布较为均匀，分别分布在26.1nm、39.8nm和48.2nm左右。测得三种涂层对大肠杆菌的抑菌环分别为18.1mm、24.6mm和28.2mm，均能在10min内杀灭99.99%的浓度为108 CFU/mL的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌。通过细菌死活染色观察到在涂层表面，99.9%以上的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌被杀死（红色），因此可以看出涂层具有高效的杀菌作用。三种涂层对成纤维细胞和人晶状体上皮细胞毒性较低，细胞活性超过TCPS的78%，因此具有较好的细胞相容性。
实施例5
配制3.0mg/mL的 dopa-PAA溶解于100mL水中，磁力搅拌，测定pH值为2.88。取100ml超纯水于烧杯中，调节到相同的pH值，标为洗液1。
配制1.5mg/mL的硝酸银溶解于50mL，3.0 mg/ml的PEI，磁力搅拌，测定pH值为9.02。取50ml超纯水于50ml离心管中，调节到相同的pH值，标为洗液2。将经过预处理以后的基材加入dopa-PAA溶液中浸泡6~8min，取出，放入洗液1中清洗2-3min，取出，用N2吹干。再将其放入PEI-Ag+溶液中浸泡6-8min，取出，放入洗液2中清洗2-3min，取出，用N2吹干。至此完成一个双层膜的制备。分别制备6、9、12双层。
利用透射电镜观察涂层中纳米银的分布，结果显示纳米银分布较为均匀，分别分布在18.3nm、27.6nm和34.5nm左右。测得三种涂层对大肠杆菌的抑菌环分别为15.2mm、20.3mm和25.7mm，均能在15min内杀灭99.9%的浓度为108 CFU/mL的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌。通过细菌死活染色观察到在涂层表面，99.9%以上的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌被杀死（红色），因此可以看出涂层具有高效的杀菌作用。三种涂层对成纤维细胞和人晶状体上皮细胞毒性较低，细胞活性超过TCPS的83%，因此具有较好的细胞相容性。
实施例6
配制4.0mg/mL的 dopa-PAA溶解于100mL水中，磁力搅拌，测定pH值为2.76。取100ml超纯水于烧杯中，调节到相同的pH值，标为洗液1。
配制0.75mg/mL的硝酸银溶解于50mL，2.0 mg/ml的PEI，磁力搅拌，测定pH值为9.83。取50ml超纯水于50ml离心管中，调节到相同的pH值，标为洗液2。将经过预处理以后的基材加入dopa-PAA溶液中浸泡6~8min，取出，放入洗液1中清洗2-3min，取出，用N2吹干。再将其放入PEI-Ag+溶液中浸泡6-8min，取出，放入洗液2中清洗2-3min，取出，用N2吹干。至此完成一个双层膜的制备。分别制备9、12、15双层。
利用透射电镜观察涂层中纳米银的分布，结果显示纳米银分布较为均匀，分别分布在10.2nm、17.2nm和21.7nm左右。测得三种涂层对大肠杆菌的抑菌环分别为19.1mm、29.1mm和35.3mm，均能在10min内杀灭99.99%的浓度为107 CFU/mL的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌。通过细菌死活染色观察到在涂层表面，99.9%以上的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌被杀死（红色），因此可以看出涂层具有高效的杀菌作用。三种涂层对成纤维细胞和人晶状体上皮细胞毒性较低，细胞活性超过TCPS的80%，因此具有较好的细胞相容性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于仿生多巴胺原位还原纳米银的多层膜长效抗菌涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）基材的表面预处理：将基材置于1-5mg/ml的聚乙烯亚胺（PEI）水溶液中，浸泡，获得表面胺基化的基材；
（2）用仿生多巴胺（dopa）对聚丙烯酸（PAA）进行修饰，得到聚丙烯酸-多巴胺（PAA-dopa）接枝产物；
（3）将表面预处理后的基材置于聚乙烯亚胺(PEI)水溶液中，获得表面胺基化的基材；
（4）使用PAA-dopa和PEI-Ag+溶液，通过层层自组装的涂层方法获得了在原位还原纳米银的有机-无机杂化水凝胶涂层，制备步骤如下：将上述表面胺基化的基材放入0.5-5mg/ml的 PAA-dopa水溶液中浸泡6-8分钟，然后用相同pH值的洗液清洗2-3分钟，用氮气吹干，放入含有0.1-2.0mg/mL硝酸银的0.5-5mg/ml 的PEI-Ag+水溶液中浸泡6-8min，用相同pH值的洗液清洗2-3分钟，氮气吹干，至此完成一个双层膜的制备，重复以上操作，直到完成整个多层膜涂层的制备。
2.根据权利要求1所述的一种基于仿生多巴胺原位还原纳米银的多层膜长效抗菌涂层的制备方法，其特征在于，所述的基材为玻璃、石英、硅片、不锈钢、聚酯膜、硅胶中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于仿生多巴胺原位还原纳米银的多层膜长效抗菌涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤（2）聚丙烯酸-多巴胺（PAA-dopa）接枝产物制备步骤如下：将聚丙烯酸、仿生多巴胺、可溶于水的碳二亚胺、N-羟基琥珀酰亚胺加入到水中，搅拌，反应，用去离子水透析，最后在-20℃冷冻干燥，通过核磁确定产物的接枝率。
4.根据权利要求1所述的一种基于仿生多巴胺原位还原纳米银的多层膜长效抗菌涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤（4）中纳米银粒径分布为5-50 nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于仿生多巴胺原位还原纳米银的多层膜长效抗菌涂层的制备方法，其特征在于，所述的步骤（1）中基材置于1-5mg/ml的聚乙烯亚胺（PEI）水溶液中浸泡0.5-12小时。
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