CN106674982A - 一种聚氨酯抗菌型生物医用复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚氨酯抗菌型生物医用复合材料及其制备方法，将生物相容性好的家蚕丝素蛋白与力学性能优异的聚氨酯结合，制备丝素蛋白/聚氨酯复合体系，并通过固‑液相氧化还原法制备绿色且价格低廉的复合抗菌剂对材料进行抗菌功能化，制备的一种聚氨酯抗菌型生物医用复合材料具有良好的生物相容性和成型加工性能；本发明采用壳聚糖、纳米银和无机抗菌剂复合协同抗菌，制得的复合抗菌剂不仅绿色环保且成本低，而且其抗菌性能和热稳定性优于单独使用的壳聚糖和纳米银，无有机溶剂残留安全无毒，应用范围广泛，特别是在生物医用材料领域具有广阔的应用前景。

Description

一种聚氨酯抗菌型生物医用复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，涉及生物医用复合材料领域，具体涉及一种聚氨酯抗菌型生物医用复合材料及其制备方法。
背景技术
近年来，随着全球老龄化步伐的不断加快，各地区医用高分子材料消耗量正在逐年增加。因造价低廉、性能优异，一些特殊医用高分子材料在医疗领域的应用范围正在进一步扩大。医用高分子材料主要用来制造人体的内脏器官、体外器官、医疗器械等，该种聚合物材料在医疗领域的应用已长达20年之久；就种类而言可分为聚丙烯、聚乙烯、聚酯、天然橡胶等材料。
目前，临床上使用的大多数医疗器械、导管等医用高分子材料如聚氨酯、硅橡胶、天然胶乳等本身不具备抗菌性，微生物极易附着在其表面生长，无论是长期留置或是短期接触人体都容易引起各种各样的细菌感染；因此，研究和开发出具有优异抗菌性能的生物医用材料具有重要意义。
理想的抗菌生物医用材料应具有良好的抗菌活性、生物相容性及较好的成型性以保证其应用功能。家蚕丝素蛋白（SilkFibroin,SF）是一种优质的天然高分子材料，具备良好的生物相容性，同时其作为保护家蚕顺利度过蛹期的外壳物质，能抵御外界的恶劣环境，具备一定的抑菌性能，成为近年来生物材料领域研究的热点。然而其单独使用时存在成型性差、抗菌效果不明显，抗菌时效短等缺陷。
聚氨酯(Polyuthane,PU)是一类由软硬链段交替镶嵌组成的高分子聚合物，由于其独有的微相分离结构而具有优异的力学性能，广泛应用于医用器械、人工器官、医用介入导管等医用材料领域，但与其它合成高分子材料一样，聚氨酯单独使用时存在着凝血、钙化和感染等问题。
壳聚糖(CS)是一种在自然界广泛存在且含量较多的多糖，因其具有生物相容性和活泼的官能基团，易于与其它金属粒子发生反应；而且壳聚糖安全无毒可降解，能被广泛应用在医疗器械和饮用水净化等领域。但是，CS单独使用时的抗菌性能较差，在抗菌性能要求比较高的情况下不能单独使用。纳米银(Ag)因具有广谱的抗菌活性且不会产生耐药性而被广泛应用于抗菌医用领域，但银本身价格比较昂贵，而且其大量使用带来的毒性也限制其应用。
发明内容
为克服现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种聚氨酯抗菌型生物医用复合材料。
本发明的目的还在于提供一种聚氨酯抗菌型生物医用复合材料的制备方法，将生物相容性好的家蚕丝素蛋白与力学性能优异的聚氨酯结合，制备丝素蛋白/聚氨酯复合体系，并通过固-液相氧化还原法制备绿色且价格低廉的复合抗菌剂对材料进行抗菌功能化，制备一种聚氨酯抗菌型生物医用复合材料。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种聚氨酯抗菌型生物医用复合材料的制备方法，包含以下步骤：
（1）纳米丝素蛋白的制备：将家蚕茧壳或茧丝经有机溶剂浸泡除去其中杂质，然后依次经水煮沸脱胶、溴化锂溶液盐溶、去离子水透析、蛋白酶酶解后冷冻干燥即得纳米丝素蛋白；
（2）复合抗菌剂的配置：通过固-液相氧化还原法，向硝酸银溶液中加入无机抗菌剂作为协同抗菌成分，壳聚糖或壳聚糖衍生物作为还原剂，还原硝酸银即得复合抗菌剂；
（3）聚氨酯抗菌型生物医用复合材料的制备：将步骤（1）中所述纳米丝素蛋白、步骤（2）中所述复合抗菌剂和聚氨酯分别分散于同一种有机溶剂中配制得到不同浓度的溶液；水浴55-60℃搅拌下，将丝素蛋白溶液加入聚氨酯溶液中混合反应充分后，再将复合抗菌剂溶液加入到上述混合体系中，待反应完全后，将反应产物用水析出，再用水搅拌洗涤以去除残留的有机溶剂至水澄清无油状物，干燥即得聚氨酯抗菌型生物医用复合材料。
步骤（1）中所述的有机溶剂为醇类或醚类，选自乙醇、乙二醇、丙三醇、乙醚中的一种。
步骤（1）中所述的溴化锂溶液浓度为10-15mol/L；所述的蛋白酶选自木瓜蛋白酶、胰蛋白酶和风味蛋白酶中的一种。
步骤（1）中所述的纳米丝素蛋白的尺寸为100-150nm。
步骤（2）中所述的壳聚糖衍生物为羧甲基壳聚糖季铵盐或壳聚糖双胍醋酸盐。
步骤（2）中所述的无机抗菌剂为TiO2 、ZrO2、Cu（NO3）2 或Zn（NO3）2中的一种。
步骤（2）中所述的硝酸银和无机抗菌剂体积比为1∶2-5，反应温度为45-55℃，反应时间为2-3h。
步骤（2）中所述的复合抗菌剂含有无机纳米颗粒，平均粒径为15-30nm。
步骤（3）中所述的有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺。
步骤（3）中所述丝素蛋白溶液的浓度为2.5-3.5%(W/V)，复合抗菌剂溶液的浓度为0.2-0.8%（W/V），聚氨酯溶液的浓度为8-10%(W/V)；所述丝素蛋白与聚氨酯的质量比为1:3-6。
一种由上述制备方法得到的聚氨酯抗菌型生物医用复合材料。
本发明具有如下优点：
（1）无机抗菌剂具有抗菌性强、耐高温、稳定性好等特性，本发明采用壳聚糖、纳米银和无机抗菌剂复合协同抗菌，制得的复合抗菌剂不仅绿色环保且成本低，而且其抗菌性能和热稳定性优于单独使用的壳聚糖和纳米银。
（2）本发明采用生物相容性好的家蚕丝素蛋白与力学性能优异的聚氨酯结合制备聚氨酯抗菌型生物医用复合材料，具有良好的生物相容性和成型加工性能，无有机溶剂残留安全无毒，应用范围广泛，特别是在生物医用材料领域具有广阔的应用前景。
（3）本发明的制备方法简单，反应条件温和，适于工业化生产。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
一种聚氨酯抗菌型生物医用复合材料的制备方法，包含以下步骤：
（1）纳米丝素蛋白的制备：将家蚕茧壳或茧丝经乙醇浸泡除去其中杂质，然后依次经水煮沸脱胶、在浓度为10mol/L溴化锂溶液盐溶、去离子水透析、木瓜蛋白酶酶解后冷冻干燥即得尺寸为100nm的纳米丝素蛋白；
（2）复合抗菌剂的配置：通过固-液相氧化还原法，向硝酸银溶液中加入无机抗菌剂TiO2作为协同抗菌成分，壳聚糖作为还原剂，还原硝酸银即得复合抗菌剂；其中，硝酸银和无机抗菌剂体积比为1∶2，反应温度为45℃，反应时间为2h；复合抗菌剂含有无机纳米颗粒，平均粒径为15nm。
（3）聚氨酯抗菌型生物医用复合材料的制备：将步骤（1）中纳米丝素蛋白、步骤（2）中复合抗菌剂和聚氨酯分别分散于N,N-二甲基甲酰胺中配制得到丝素蛋白溶液的浓度为2.5%(W/V)，复合抗菌剂溶液的浓度为0.2%（W/V），聚氨酯溶液的浓度为8%(W/V)；在水浴55℃搅拌下，将丝素蛋白溶液加入聚氨酯溶液中混合充分反应，其中丝素蛋白与聚氨酯的质量比为1:3；再将复合抗菌剂溶液加入到上述混合体系中，待反应完全后，将反应产物用水析出、再用水搅拌洗涤以去除残留的有机溶剂至水澄清无油状物，干燥即得聚氨酯抗菌型生物医用复合材料。
一种聚氨酯抗菌型生物医用复合材料，由上述制备方法得到。
实施例2
一种聚氨酯抗菌型生物医用复合材料的制备方法，包含以下步骤：
（1）纳米丝素蛋白的制备：将家蚕茧壳或茧丝经乙二醇浸泡除去其中杂质，然后依次经水煮沸脱胶、在浓度为15mol/L溴化锂溶液盐溶、去离子水透析、胰蛋白酶酶解后冷冻干燥即得尺寸为50nm的纳米丝素蛋白；
（2）复合抗菌剂的配置：通过固-液相氧化还原法，向硝酸银溶液中加入无机抗菌剂ZrO2作为协同抗菌成分，羧甲基壳聚糖季铵盐作为还原剂，还原硝酸银即得复合抗菌剂；其中，硝酸银和无机抗菌剂体积比为1：5，反应温度为55℃，反应时间为3h；复合抗菌剂含有无机纳米颗粒，平均粒径为30nm。
（3）聚氨酯抗菌型生物医用复合材料的制备：将步骤（1）中纳米丝素蛋白、步骤（2）中复合抗菌剂和聚氨酯分别分散于N,N-二甲基乙酰胺中配制得到丝素蛋白溶液的浓度为3.5%(W/V)，复合抗菌剂溶液的浓度为0.8%（W/V），聚氨酯溶液的浓度为10%(W/V)；在水浴55-60℃搅拌下，将丝素蛋白溶液加入聚氨酯溶液中混合充分反应，其中丝素蛋白与聚氨酯的质量比为1: 6；再将复合抗菌剂溶液加入到上述混合体系中，待反应完全后，将反应产物用水析出、再用水搅拌洗涤以去除残留的有机溶剂至水澄清无油状物，干燥即得聚氨酯抗菌型生物医用复合材料。
一种聚氨酯抗菌型生物医用复合材料，由上述制备方法得到。
实施例3
一种聚氨酯抗菌型生物医用复合材料的制备方法，包含以下步骤：
（1）纳米丝素蛋白的制备：将家蚕茧壳或茧丝经丙三醇浸泡除去其中杂质，然后依次经水煮沸脱胶、在浓度为12mol/L溴化锂溶液盐溶、去离子水透析、风味蛋白酶酶解后冷冻干燥即得尺寸为120nm的纳米丝素蛋白；
（2）复合抗菌剂的配置：通过固-液相氧化还原法，向硝酸银溶液中加入无机抗菌剂Cu（NO3）2作为协同抗菌成分，壳聚糖双胍醋酸盐作为还原剂，还原硝酸银即得复合抗菌剂；其中，硝酸银和无机抗菌剂体积比为1∶3，反应温度为50℃，反应时间为2.5h；复合抗菌剂含有无机纳米颗粒，平均粒径为20nm。
（3）聚氨酯抗菌型生物医用复合材料的制备：将步骤（1）中纳米丝素蛋白、步骤（2）中复合抗菌剂和聚氨酯分别分散于N,N-二甲基甲酰胺中配制得到丝素蛋白溶液的浓度为3.0%(W/V)，复合抗菌剂溶液的浓度为0.5%（W/V），聚氨酯溶液的浓度为9%(W/V)；在水浴55-60℃搅拌下，将丝素蛋白溶液加入聚氨酯溶液中混合充分反应，其中丝素蛋白与聚氨酯的质量比为1:4；再将复合抗菌剂溶液加入到上述混合体系中，待反应完全后，将反应产物用水析出、再用水搅拌洗涤以去除残留的有机溶剂至水澄清无油状物，干燥即得聚氨酯抗菌型生物医用复合材料。
一种聚氨酯抗菌型生物医用复合材料，由上述制备方法得到。
实施例4
一种聚氨酯抗菌型生物医用复合材料的制备方法，包含以下步骤：
（1）纳米丝素蛋白的制备：将家蚕茧壳或茧丝经乙醚浸泡除去其中杂质，然后依次经水煮沸脱胶、在浓度为13mol/L溴化锂溶液盐溶、去离子水透析、木瓜蛋白酶酶解后冷冻干燥即得尺寸为140nm的纳米丝素蛋白；
（2）复合抗菌剂的配置：通过固-液相氧化还原法，向硝酸银溶液中加入无机抗菌剂Zn（NO3）2作为协同抗菌成分，羧甲基壳聚糖季铵盐作为还原剂，还原硝酸银即得复合抗菌剂；其中，硝酸银和无机抗菌剂体积比为1∶4，反应温度为50℃，反应时间为3h；复合抗菌剂含有无机纳米颗粒，平均粒径为25nm。
（3）聚氨酯抗菌型生物医用复合材料的制备：将步骤（1）中纳米丝素蛋白、步骤（2）中复合抗菌剂和聚氨酯分别分散于N,N-二甲基乙酰胺中配制得到丝素蛋白溶液的浓度为3.2%(W/V)，复合抗菌剂溶液的浓度为0.6%（W/V），聚氨酯溶液的浓度为8.5%(W/V)；在水浴55-60℃搅拌下，将丝素蛋白溶液加入聚氨酯溶液中混合充分反应，其中丝素蛋白与聚氨酯的质量比为1:5；再将复合抗菌剂溶液加入到上述混合体系中，待反应完全后，将反应产物用水析出、再用水搅拌洗涤以去除残留的有机溶剂至水澄清无油状物，干燥即得聚氨酯抗菌型生物医用复合材料。
一种聚氨酯抗菌型生物医用复合材料，由上述制备方法得到。
实施例5
一种聚氨酯抗菌型生物医用复合材料的制备方法，包含以下步骤：
（1）纳米丝素蛋白的制备：将家蚕茧壳或茧丝经乙二醇浸泡除去其中杂质，然后依次经水煮沸脱胶、在浓度为14mol/L溴化锂溶液盐溶、去离子水透析、胰蛋白酶酶解后冷冻干燥即得尺寸为130nm的纳米丝素蛋白；
（2）复合抗菌剂的配置：通过固-液相氧化还原法，向硝酸银溶液中加入无机抗菌剂Cu（NO3）2作为协同抗菌成分，壳聚糖双胍醋酸盐作为还原剂，还原硝酸银即得复合抗菌剂；其中，硝酸银和无机抗菌剂体积比为1∶5，反应温度为45℃，反应时间为2h；复合抗菌剂含有无机纳米颗粒，平均粒径为15nm。
（3）聚氨酯抗菌型生物医用复合材料的制备：将步骤（1）中纳米丝素蛋白、步骤（2）中复合抗菌剂和聚氨酯分别分散于N,N-二甲基甲酰胺中配制得到丝素蛋白溶液的浓度为2.5%(W/V)，复合抗菌剂溶液的浓度为0.7%（W/V），聚氨酯溶液的浓度为8%(W/V)；在水浴55-60℃搅拌下，将丝素蛋白溶液加入聚氨酯溶液中混合充分反应，其中丝素蛋白与聚氨酯的质量比为1:3；再将复合抗菌剂溶液加入到上述混合体系中，待反应完全后，将反应产物用水析出、再用水搅拌洗涤以去除残留的有机溶剂至水澄清无油状物，干燥即得聚氨酯抗菌型生物医用复合材料。
一种聚氨酯抗菌型生物医用复合材料，由上述制备方法得到。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种聚氨酯抗菌型生物医用复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：
（1）纳米丝素蛋白的制备：将家蚕茧壳或茧丝经有机溶剂浸泡除去其中杂质，然后依次经水煮沸脱胶、溴化锂溶液盐溶、去离子水透析、蛋白酶酶解后冷冻干燥即得纳米丝素蛋白；
（2）复合抗菌剂的配置：通过固-液相氧化还原法，向硝酸银溶液中加入无机抗菌剂作为协同抗菌成分，壳聚糖或壳聚糖衍生物作为还原剂，还原硝酸银即得复合抗菌剂；
（3）聚氨酯抗菌型生物医用复合材料的制备：将步骤（1）中所述纳米丝素蛋白、步骤（2）中所述复合抗菌剂和聚氨酯分别分散于同一种有机溶剂中配制得到不同浓度的溶液；水浴55-60℃搅拌下，将所述丝素蛋白溶液加入所述聚氨酯溶液中混合充分反应后，再将复合抗菌剂溶液加入到上述混合体系中，待反应完全后，将反应产物用水析出、再用水搅拌洗涤以去除残留的有机溶剂至水澄清无油状物，干燥即得聚氨酯抗菌型生物医用复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种聚氨酯抗菌型生物医用复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的有机溶剂为醇类或醚类，选自乙醇、乙二醇、丙三醇、乙醚中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种聚氨酯抗菌型生物医用复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的溴化锂溶液浓度为10-15mol/L；所述的蛋白酶选自木瓜蛋白酶、胰蛋白酶和风味蛋白酶中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种聚氨酯抗菌型生物医用复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的纳米丝素蛋白的尺寸为100-150nm。
5.根据权利要求1所述的一种聚氨酯抗菌型生物医用复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的壳聚糖衍生物为羧甲基壳聚糖季铵盐或壳聚糖双胍醋酸盐。
6. 根据权利要求1所述的一种聚氨酯抗菌型生物医用复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的无机抗菌剂为TiO2 、ZrO2、Cu（NO3）2 或Zn（NO3）2中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种聚氨酯抗菌型生物医用复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述的硝酸银和无机抗菌剂体积比为1∶2-5，反应温度为45-55℃，反应时间为2-3h；所述的复合抗菌剂含有无机纳米颗粒，平均粒径为15-30nm。
8.根据权利要求1所述的一种聚氨酯抗菌型生物医用复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述的有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺。
9.根据权利要求1所述的一种聚氨酯抗菌型生物医用复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述丝素蛋白溶液的浓度为2.5-3.5%(W/V)，复合抗菌剂溶液的浓度为0.2-0.8%（W/V），聚氨酯溶液的浓度为8-10%(W/V)；所述丝素蛋白与聚氨酯的质量比为1:3-6。
10.一种聚氨酯抗菌型生物医用复合材料，其特征在于，根据权利要求1-9任一项所述制备方法得到。
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