CN107216450B - 一种自愈合抗菌涂层及其制备方法和应用 - Google Patents
一种自愈合抗菌涂层及其制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种自愈合抗菌涂层的制备方法，包括：在引发剂和/或催化剂下，单体发生聚合得可降解嵌段聚合物，加入双键封端分子得可降解双键封端嵌段聚合物；将得到的可降解双键封端嵌段聚合物溶解于溶剂中，加入交联剂后进行喷涂和交联固化得初级交联涂层，初级交联涂层放入水浴中浸泡，浸泡后快速冷冻，定型得自愈合多孔涂层，将涂覆有自愈合多孔涂层的材料浸泡到含有抗菌药物和/或生物活性抗菌多肽的溶液中，待充分吸收后取出并升温至自愈合温度愈合孔洞，得所述自愈合抗菌涂层。本发明自愈合多孔涂层通过温度的改变诱导多孔结构愈合，制备得到负载有抗菌药物和/或生物活性抗菌多肽的自愈合抗菌涂层，在生物医用材料领域中有广泛应用。
Description
技术领域
本发明涉及涂层制备技术领域，具体涉及一种自愈合抗菌涂层及其制备方法和应用。
背景技术
医疗器械表面微生物(细菌、真菌等)的定殖(colonization)将会影响治疗效果，危及患者的健康和安全，甚至引发严重的术后并发症。然而，有效地抑制微生物在器械表面的粘附和生物膜的形成仍然是一个难点和挑战。目前，常用的抗菌表面设计包括表面固定银或者银离子，表面季铵盐固定以及表面固定抗菌药物。其中银或者银离子的使用存在着重金属富集的风险，而季铵盐表面固定的抗菌效果较差。因此通过材料表面固定抗菌药物是目前可行的方案之一。
传统的抗菌药物通常为疏水小分子药物，诸如三氯生等。近年来，通过抗菌肽的表面固定来达到表面抑制微生物定殖的研究引起了广泛关注，这种通过表面固定生物活性分子的方式具有仿生的特性，并且对多种细菌的杀灭效果优异。更为重要的是，与传统小分子药物对比，抗菌肽等仿生抗菌生物活性分子不易产生耐药性。因此设计一种涂层，能在涂层中固定原位小分子抗菌药物，又能固定抗菌肽等生物活性分子，同时避免生物活性分子的结构被破坏，对于新型抗菌涂层技术的构建具有十分重要的意义。这种新型抗菌涂层不仅能赋予材料本身抗菌的特性，同时潜在地能实现对于感染部位的原位抗菌，因此具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种自愈合抗菌涂层及其制备方法和应用。
一种自愈合抗菌涂层的制备方法，包括：
(1)可降解双键封端嵌段聚合物的合成
在引发剂和/或催化剂的作用下，单体发生聚合反应得到可降解嵌段聚合物，加入双键封端分子，得到可降解双键封端嵌段聚合物；
所述单体为乙交酯、左旋丙交酯、混旋丙交酯、乙醇酸、乳酸、ε-己内酯、二氧环己酮、三亚甲基碳酸酯和多羟基链烷酸酯中的至少一种；
所述双键封端分子为甲基丙烯酰氯、乙基丙烯酰氯或甲基丙烯酰氧乙基异氰酸酯；
(2)将步骤(1)中得到的可降解双键封端嵌段聚合物溶解于溶剂中，加入交联剂得混合溶液，混合溶液涂覆于材料表面，采用加热或紫外光辐射的形式交联固化得初级交联涂层，初级交联涂层放入水浴中浸泡，浸泡后快速冷冻，定型得自愈合多孔涂层；
(3)抗菌药物和/或生物活性抗菌多肽的负载
将涂覆有自愈合多孔涂层的材料浸泡到含有抗菌药物和/或生物活性抗菌多肽的溶液中，待充分吸收后取出并升温至自愈合温度愈合孔洞，得所述自愈合抗菌涂层。
本发明自愈合多孔涂层通过温度的改变诱导多孔结构愈合，通过这种自愈合的方式，可满足不同抗菌药物和/或生物活性抗菌多肽的负载。
所述可降解双键封端嵌段聚合物的合成方法包括开环聚合法、直接缩聚法等，开环聚合是环状单体在引发剂或催化剂作用下开环后聚合；直接缩聚法是指双官能团或多官能团单体之间通过重复的缩合反应生成高分子的反应，包括熔融缩聚、溶液缩聚、界面缩聚、固相缩聚等。
所述引发剂为聚乙二醇或n臂聚乙二醇，n≥3，数均分子量为100～50000；作为自愈合动态涂层，愈合温度的选择对于后期负载的成功与否关系重大，由于目前大部分的生物活性分子不能长时间耐受高于50℃的温度条件，而对于一些疫苗或药物等小分子，其耐受温度也不宜高于80℃，因此自愈合多孔涂层的愈合温度必须低于80℃而高于室温25℃，聚乙二醇或n臂聚乙二醇的熔点与其分子量大小有着紧密的联系，基于自愈合温度的要求，作为优选，所述引发剂的数均分子量为1000～10000。
所述引发剂的投加量为单体质量的0.2～2倍。
单体的选择影响着聚合之后聚合物的结晶行为，进而影响最终材料的愈合温度，本发明要求愈合温度低于80℃，因此选择的单体不宜结晶性能过于优异，作为优选，所述单体为乙交酯、左旋丙交酯、混旋丙交酯和ε-己内酯中的至少一种。
进一步优选，步骤(1)中，所述引发剂为聚乙二醇或三臂聚乙二醇，所述单体为乙交酯、左旋丙交酯、混旋丙交酯和ε-己内酯中的至少一种。
所述催化剂为辛酸亚锡或二月桂酸二丁基锡，所述催化剂的投加量为单体质量的0.01～0.5％；作为优选，所述催化剂的投加量为单体质量的0.01～0.1％。
所述聚合反应的温度为120～160℃；所示聚合反应的时间为2～6h。
所述双键封端分子的投加摩尔量与所述引发剂中羟基的物质的量相等。
步骤(1)中，所述可降解双键封端嵌段聚合物的数均分子量为1000～100000；作为优选，所述可降解双键封端嵌段聚合物的数均分子量为2000～50000；可降解双键封端嵌段聚合物的分子量影响着交联后自愈合多孔材料的愈合温度，因此，分子量过短，愈合温度则会过低，而分子量过长，由于结晶程度的不断完善，愈合温度较高，基于愈合温度要求，进一步优选，所述可降解双键封端嵌段聚合物的数均分子量为3000～20000。
步骤(2)中，所述溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷、六氟异丙醇、乙酸乙酯和丙酮中的至少一种。
所述混合溶液中，可降解双键封端嵌段聚合物的质量分数为0.1～20wt％；作为优选，可降解双键封端嵌段聚合物的质量分数为0.2～10wt％。
所述交联剂为热引发剂或光引发剂，包括偶氮二异丁腈(AIBN)、过氧化苯甲酰(BPO)或I2959；所述交联剂的投加量为可降解双键封端嵌段聚合物质量的0.1～5％，作为优选，所述交联剂的投加量为可降解双键封端嵌段聚合物质量的0.1～2％，进一步优选，所述交联剂的投加量为可降解双键封端嵌段聚合物质量的0.2～1％。
作为优选，步骤(2)中，对于不同的材料与需求，可选择不同的涂覆方法将混合溶液涂覆于材料表面，所述涂覆方法包括但不仅限于超声雾化喷涂、溶液浸涂、旋涂等。进一步优选，采用超声雾化喷涂技术，超声雾化喷涂技术能实现复杂界面的涂层制备，并且满足稳定的工艺调控。
作为优选，步骤(2)中，混合溶液涂覆于材料表面的厚度为5～50μm。进一步优选，步骤(2)中，混合溶液涂覆于材料表面的厚度为10～25μm。
本发明中由冷冻干燥得到多孔结构，具体原理如下：首先在水浴浸泡过程中，由于可降解双键封端嵌段聚合物的两亲性质，水分子会逐渐渗透到初级材料中，当水浴温度高于可降解双键封端嵌段聚合物的熔点时，由于链段运动性被激活，随着水分子的渗入，初级材料发生结构重构；接着将初级材料快速冷冻，初级材料链段运动被冻结，水分子凝结成冰晶，随后的冻干过程除去涂层中的水分，孔洞结构得以保留。步骤(2)中，水浴温度为10～90℃，浸泡时间为1～24h。
初级材料中分子链段的重排过程随着时间的延长将会逐渐趋于稳定，进一步优选，步骤(2)中，水浴温度为20～60℃，浸泡时间为2～12h。
所述自愈合多孔涂层中，温度诱导自愈合的机理如下：冷冻干燥过程中形成的多孔结构本质上是由于除去水分后分子链重新形成结晶从而阻止孔洞的闭合，因此，当这种多孔结构遇到一定温度的时候，聚合物晶区发生熔融，锁定分子链运动的限制作用被解除，因此，分子链能快速地发生运动，从而依据表面能最低化的原则导致微孔结构的消失，这种多孔结构的形成与愈合过程，本质上是微观尺度上分子链运动的打开与锁定所引起的。
所述自愈合多孔涂层的自愈合温度为25～80℃，当外界温度达到自愈合温度时，所述自愈合多孔涂层的多孔结构消失。
作为优选，所述自愈合多孔涂层的自愈合温度为30～60℃，该自愈合温度范围有利于提高负载抗菌药物和/或生物活性抗菌多肽的成功率。
步骤(3)中，可以根据抗菌药物和/或生物活性抗菌多肽选择不同负载方式，具体而言：
(1)抗菌药物负载
小分子抗菌药物(诸如三氯生等)的负载可通过将抗菌药物溶于溶剂中，根据溶解性不同，溶剂包括水，以及乙醇与水的混合溶剂；混合溶剂中乙醇的体积比例为1～60％，更加优选的，混合溶剂中乙醇的体积比例为5～40％。随后，在室温环境下将上述涂覆有自愈合多孔涂层的材料浸没到含有抗菌药物的溶液中，待吸附完成后取出并升温愈合涂层孔洞，随后放置于真空环境中除去残余的溶剂；
(2)生物活性抗菌多肽分子的负载
抗菌肽分子(包括杆菌肽(Bacitracin)、短杆菌肽S(Gramicidin S)、多粘菌素E(Polymyxin E)和乳链菌肽(Nisin)等)的负载与抗菌药物的负载相似，具体步骤依然包含药物分子溶解-吸附-愈合-除溶剂等几个步骤；
(3)抗菌药物与生物活性抗菌多肽分子共同负载
共同负载要求两种分子均能溶解，并且不影响各自的活性。对于抗菌药物分子，首先将抗菌药物溶解于乙醇中，生物活性抗菌多肽分子溶于水中，随后逐滴将含抗菌药物的乙醇溶液滴加到溶有生物活性抗菌多肽分子的水溶液中，得同时含抗菌药物和生物活性抗菌多肽分子的混合溶液，最终的乙醇体积比例为1～40％，更加优选的乙醇的体积比例为1～10％。随后，在室温环境下将上述涂覆有自愈合多孔涂层的材料浸没到含抗菌药物和生物活性抗菌多肽分子的混合溶液中，待吸附完成后取出材料并升温愈合涂层，随后放置于真空环境中除去残余的溶剂。
上述的负载方式，不仅能实现抗菌药物以及生物活性抗菌多肽的负载，同时能实现多种不同性质分子的共负载。因此，对比传统的涂层制备方法，本发明所提供的自愈合抗菌涂层的制备方法具有更加优越的创新性和灵活多样的应用性。
作为优选，步骤(3)中，所述抗菌药物包括但不仅限于三氯生、青霉素类和头孢菌素类分子等；所述生物活性抗菌多肽包括但不仅限于杆菌肽(Bacitracin)、短杆菌肽S(Gramicidin S)、多粘菌素E(Polymyxin E)和乳链菌肽(Nisin)等。
作为优选，步骤(3)中，抗菌药物或生物活性抗菌多肽的负载量为10～200微克/平方厘米
本发明还提供了一种由上述制备方法得到的自愈合抗菌涂层及所述自愈合抗菌涂层在生物医用材料领域的应用。传统的涂层较难实现生物活性分子的负载，而基于所述自愈合多孔涂层可实现抗菌药物和/或生物活性抗菌多肽的负载，以满足不同的应用需求。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
PDLLA-PEG-PDLLA-25自愈合抗菌涂层
(1)可降解双键封端嵌段聚合物的合成
将1L的玻璃反应釜在80℃下真空干燥1h，在氮气保护下将200g数均分子量为2000的聚乙二醇，升温至120℃下抽真空干燥2h。然后加入300g混旋丙交酯到反应釜中，在120℃下继续真空干燥1h。然后加入0.5g辛酸亚锡，将温度提高到150℃，并保持在150℃、氮气保护下反应3h，然后加入0.5g阻聚剂4-甲氧基苯酚，均匀搅拌30min后，采用滴加的方式加入31g甲基丙烯酰氧乙基异氰酸酯，得到数均分子量约为5000的可降解双键封端嵌段聚合物(PDLLA-PEG-PDLLA-25)。
(2)自愈合多孔涂层的制备
将步骤(1)得到的PDLLA-PEG-PDLLA-25溶解于乙酸乙酯中，加入光引发剂I2959，制成混合溶液。混合溶液中PDLLA-PEG-PDLLA-25的质量分数为2wt％，光引发剂I2959的质量分数为0.02wt％。采用超声雾化技术将混合溶液覆于材料表面，制备初级涂层，涂层厚度为10～20μm。随后采用紫外光辐照的方式将涂层交联固化得初级交联涂层，辐照光强度50mW/cm2，辐照时间2～10min。交联固化完成后，将初级交联涂层放入无菌水浴中浸泡，水浴温度为40～45℃，浸泡时间为8h，接着用超低温冰箱将溶胀后涂层快速冷冻，随后放入冷冻干燥机中干燥去除水分，定型成为自愈合多孔涂层。
所得自愈合多孔涂层的平均孔径为1μm，完全降解时间为1个月。该自愈合多孔涂层在37℃下保持多孔结构，而当温度上升至40℃会自发愈合。
(3)三氯生药物的负载
将三氯生溶于乙醇与水的混合溶剂中，得含三氯生的溶液，乙醇的体积比例为20％。随后，在室温环境下将上述涂覆有自愈合多孔涂层的材料浸没到含三氯生的溶液中，浸没时间为30分钟，随后取出材料并加热至40℃愈合涂层孔洞，随后放置于真空环境中除去残余的溶剂。最终三氯生的载药量为100微克/平方厘米。
实施例2
PLGA-PEG-PLGA-25自愈合抗菌涂层
(1)可降解双键封端嵌段聚合物的合成
将1L的玻璃反应釜在80℃下真空干燥1h，在氮气保护下将200g数均分子量为2000的聚乙二醇，升温至120℃下抽真空干燥2h。然后加入210g左旋丙交酯和90g乙交酯到反应釜中，在120℃下继续真空干燥1h。然后加入0.5g辛酸亚锡，将温度提高到150℃,并保持在150℃、氮气保护下反应3h，然后加入0.5g阻聚剂4-甲氧基苯酚，均匀搅拌30min后，采用滴加的方式加入31g甲基丙烯酰氧乙基异氰酸酯，得到数均分子量约为5000的可降解双键封端嵌段聚合物(PLGA-PEG-PLGA-25)。
(2)自愈合多孔涂层的制备
将步骤(1)得到的PLGA-PEG-PLGA-25溶解于乙酸乙酯中，加入光引发剂I2959，制成混合溶液。混合溶液中PLGA-PEG-PLGA-25的质量分数为2wt％，光引发剂I2959的质量分数为0.02wt％。采用超声雾化技术将混合溶液覆于材料表面，制备初级涂层，涂层厚度为10～20μm。随后采用紫外光辐照的方式将涂层交联固化得初级交联涂层，辐照光强度50mW/cm2，辐照时间2～10min。交联固化完成后，将初级交联涂层放入无菌水浴中浸泡，水浴温度为40～45℃，浸泡时间为8h，接着用超低温冰箱将溶胀后涂层快速冷冻，随后放入冷冻干燥机中干燥去除水分，定型成为自愈合多孔涂层。
所得自愈合多孔涂层的平均孔径为1μm，自愈合温度为40℃，完全降解时间为1个月。
(3)杆菌肽分子的负载
配制杆菌肽溶液。随后，在室温环境下将上述涂覆有自愈合多孔涂层的材料浸没到杆菌肽溶液中，浸没时间为30分钟，随后取出材料并加热至40℃愈合涂层孔洞，随后放置于真空环境中除去残余的溶剂。最终杆菌肽的载药量为100微克/平方厘米。
实施例3
PLGA-PEG-PLGA-210自愈合抗菌涂层
(1)可降解双键封端嵌段聚合物的合成
将1L的玻璃反应釜在80℃下真空干燥1h，在氮气保护下将80g数均分子量为2000的聚乙二醇，升温至120℃下抽真空干燥2h。然后加入160g左旋丙交酯和160g乙交酯到反应釜中，在120℃下继续真空干燥1h。然后加入0.5g辛酸亚锡，将温度提高到150℃,并保持在150℃、氮气保护下反应3h，然后加入0.5g阻聚剂4-甲氧基苯酚，均匀搅拌30min后，采用滴加的方式加入12.5g甲基丙烯酰氧乙基异氰酸酯，得到数均分子量约为10000的可降解双键封端嵌段聚合物(PLGA-PEG-PLGA-210)。
(2)自愈合多孔涂层的制备
将步骤(1)得到的PLGA-PEG-PLGA-210溶解于三氯甲烷中，加入光引发剂I2959，制成混合溶液。混合溶液中PLGA-PEG-PLGA-210的质量分数为2wt％，光引发剂I2959的质量分数为0.02wt％。采用超声雾化技术将混合溶液覆于材料表面，制备初级涂层，涂层厚度为10～20μm。随后采用紫外光辐照的方式将涂层交联固化得初级交联涂层，辐照光强度50mW/cm2，辐照时间2～10min。交联固化完成后，将初级交联涂层放入无菌水浴中浸泡，水浴温度为45～50℃，浸泡时间为12h，接着用超低温冰箱将溶胀后涂层快速冷冻，随后放入冷冻干燥机中干燥去除水分，定型成为自愈合多孔涂层。
所得自愈合多孔涂层的平均孔径为1μm，自愈合温度为42℃，完全降解时间为1个月。
(3)青霉素药物的负载
将青霉素溶于水中，得含青霉素的溶液。随后，在室温环境下将上述涂覆有自愈合多孔涂层的材料浸没到含依维莫司的溶液中，浸没时间为30分钟，随后取出材料并加热至42℃愈合涂层孔洞，随后放置于真空环境中除去残余的溶剂。最终青霉素的载药量为80微克/平方厘米。
实施例4
PLGA-PEG-PLGA-25自愈合多种复合抗菌涂层
(1)可降解双键封端嵌段聚合物的合成
将1L的玻璃反应釜在80℃下真空干燥1h，在氮气保护下将200g数均分子量为2000的聚乙二醇，升温至120℃下抽真空干燥2h。然后加入210g左旋丙交酯和90g乙交酯到反应釜中，在120℃下继续真空干燥1h。然后加入0.5g辛酸亚锡，将温度提高到150℃,并保持在150℃、氮气保护下反应3h，然后加入0.5g阻聚剂4-甲氧基苯酚，均匀搅拌30min后，采用滴加的方式加入31g甲基丙烯酰氧乙基异氰酸酯，得到数均分子量约为5000的可降解双键封端嵌段聚合物(PLGA-PEG-PLGA-25)。
(2)自愈合多孔涂层的制备
将步骤(1)得到的PLGA-PEG-PLGA-25溶解于乙酸乙酯中，加入光引发剂I2959，制成混合溶液。混合溶液中PLGA-PEG-PLGA-25的质量分数为2wt％，光引发剂I2959的质量分数为0.02wt％。采用超声雾化技术将混合溶液覆于材料表面，制备初级涂层，涂层厚度为10～20μm。随后采用紫外光辐照的方式将涂层交联固化得初级交联涂层，辐照光强度50mW/cm2，辐照时间2～10min。交联固化完成后，将初级交联涂层放入无菌水浴中浸泡，水浴温度为40～45℃，浸泡时间为8h，接着用超低温冰箱将溶胀后涂层快速冷冻，随后放入冷冻干燥机中干燥去除水分，定型成为自愈合多孔涂层。
所得自愈合多孔涂层的平均孔径为1μm，自愈合温度为40℃，完全降解时间为1个月。
(3)杆菌肽分子与青霉素的负载
配制杆菌肽与青霉素复合溶液。随后，在室温环境下将上述涂覆有自愈合多孔涂层的材料浸没到复合溶液中，浸没时间为30分钟，随后取出材料并加热至40℃愈合涂层孔洞，随后放置于真空环境中除去残余的溶剂。最终杆菌肽的载药量为60微克/平方厘米，青霉素的载药量为50微克/平方厘米。
Claims (10)
1.一种自愈合抗菌涂层的制备方法，其特征在于，包括：
(1)可降解双键封端嵌段聚合物的合成
在引发剂和/或催化剂的作用下，单体发生聚合反应得到可降解嵌段聚合物，加入双键封端分子，得到可降解双键封端嵌段聚合物；
所述单体为乙交酯、左旋丙交酯、混旋丙交酯、乙醇酸、乳酸、ε-己内酯中的至少一种；
所述双键封端分子为甲基丙烯酰氯、乙基丙烯酰氯或甲基丙烯酰氧乙基异氰酸酯；
(2)将步骤(1)中得到的可降解双键封端嵌段聚合物溶解于溶剂中，加入交联剂得混合溶液，混合溶液涂覆于材料表面，采用加热或紫外光辐射的形式交联固化得初级交联涂层，初级交联涂层放入水浴中浸泡，浸泡后快速冷冻，定型得自愈合多孔涂层；
(3)抗菌药物和/或生物活性抗菌多肽的负载
将涂覆有自愈合多孔涂层的材料浸泡到含有抗菌药物和/或生物活性抗菌多肽的溶液中，待充分吸收后取出并升温至自愈合温度愈合孔洞，得所述自愈合抗菌涂层。
2.根据权利要求1所述的自愈合抗菌涂层的制备方法，其特征在于，所述引发剂为聚乙二醇或n臂聚乙二醇，n≥3，数均分子量为100～50000。
3.根据权利要求1所述的自愈合抗菌涂层的制备方法，其特征在于，所述引发剂的投加量为单体质量的0.2～2倍。
4.根据权利要求1所述的自愈合抗菌涂层的制备方法，其特征在于，所述催化剂为辛酸亚锡或二月桂酸二丁基锡，所述催化剂的投加量为单体质量的0.01～0.5％。
5.根据权利要求1所述的自愈合抗菌涂层的制备方法，其特征在于，所述可降解双键封端嵌段聚合物的数均分子量为1000～100000。
6.根据权利要求1所述的自愈合抗菌涂层的制备方法，其特征在于，所述可降解双键封端嵌段聚合物的数均分子量为3000～20000。
7.根据权利要求1所述的自愈合抗菌涂层的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，水浴温度为10～90℃，浸泡时间为1～24h。
8.根据权利要求1所述的自愈合抗菌涂层的制备方法，其特征在于，所述自愈合多孔涂层的自愈合温度为25～80℃。
9.一种根据权利要求1～8任一项所述的方法制备得到的自愈合抗菌涂层。
10.一种根据权利要求9所述的自愈合抗菌涂层在生物医用材料领域的应用。
Priority Applications (1)
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| "Self-Healing Supramolecular Self-Assembled Hydrogels Based on Poly(l-glutamic acid)";Guifei Li等;《Biomacromolecules》;20150928;第16卷(第11期);第3508-3518页 |
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