CN107652394A - 抗生物粘附材料及其制备方法和表面涂覆有该抗生物粘附材料的金属器械 - Google Patents

抗生物粘附材料及其制备方法和表面涂覆有该抗生物粘附材料的金属器械 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种抗生物粘附材料，为两性离子单体与膦酸或膦酸酯单体共聚形成的共聚物。本发明另一方面提供该抗生物粘附材料的制备方法，将两性离子单体与膦酸或膦酸酯单体直接混合共聚，或先制备两种单体中一种单体的均聚物，然后以制得的均聚物作为大分子引发剂或链转移剂，以两种单体中另一种单体作为聚合单体，制备两性离子单体与膦酸或膦酸酯单体的共聚物。本发明还提供一种抗生物粘附的金属器械，该金属器械表面设置有上述抗生物粘附材料的涂层。本发明的抗生物粘附材料稳定性高，通过简单的涂层工艺即可在金属表面形成稳定的聚合物涂层；经抗生物粘附材料表面改性的金属表面蛋白质的非特异性吸附显著降低，抗生物粘附性能显著提高。

Description

抗生物粘附材料及其制备方法和表面涂覆有该抗生物粘附材 料的金属器械
技术领域
本发明属于生物医用材料领域，具体涉及一种用于抗生物粘附材料及其制备方法和表面涂覆有该抗生物粘附材料的金属器械。
技术背景
金属材料因具有高的机械强度、可加工性和一定的生物相容性等诸多优点而被广泛应用于生物医用领域。然而，金属材料固有的生物惰性以及缺乏有效抗生物粘附性能(抗炎症、抗菌、抗凝血等)容易导致免疫反应，引起术后感染并形成血栓，大大地降低了用金属材料制备植入型器械的生物安全性能。因此，在植入型金属器械表面构建高效的抗生物粘附涂层一直是金属器械改性的热点与难点。
表面改性是一种有效改善或提高材料性能的途径。它可在保持基材物理机械性能的同时赋予材料新的功能。在过去的二十多年中，采用两性离子材料来提高各类生物医用金属材料的抗生物粘附性能引起了广泛的关注。通过将带有特定引发基团的硅烷偶联剂固定在金属表面，两性离子单体能够可控地在金属表面发生聚合，从而在金属表面可控地构建功能性两性离子聚合物涂层，提高基材的抗生物粘附性能(Acta Biomater.，2016，40，78；ACSAppl.Mater.Inter.，2017，9，47)。然而，有研究报道硅烷偶联剂与金属的结合水解稳定性欠佳，因此，在生理环境下的使用有较大的限制。
多巴胺及其衍生物是近年来受到广泛关注的一类高效粘合材料。通过在弱碱性条件下的聚合，多巴胺几乎能在所有材料表面形成稳定的多巴胺聚合物(Science，2007，318，426)。但是这一特性通常仅用于金属表面的固定的基于多巴胺的引发剂或者引发体系的制备，构建两性离子聚合物还需要后续较为繁琐的聚合反应。
发明内容
本发明的目的是提供一种稳定的抗生物粘附材料。
本发明的另一目的是提供上述抗生物粘附材料的制备方法和表面涂覆有上述抗生物粘附材料的抗生物粘附金属器械。
技术方案：本发明提供一种抗生物粘附材料，该抗生物粘附材料为两性离子单体与膦酸或膦酸酯单体共聚形成的共聚物。
两性离子单体为磷铵、羧铵或磺铵两性离子单体，磷铵、羧铵或磺铵两性离子单体结构式分别如下：
磷铵：
磺铵：
羧铵：
n＝1～8 m＝1～12
R：
膦酸或膦酸酯单体为结构式如下所示的不饱和膦酸或膦酸酯单体：
R1＝H或OCH3或OCH2CH3
上述共聚物由物质的量之比为99∶1～1∶99的两性离子单体和膦酸或膦酸酯单体共聚形成，共聚物分子量为5000～1000000，分子量分散系数为1.1～10.0。
两性离子单体与膦酸或膦酸酯单体形成共聚物的共聚方法为无规自由基共聚、原子转移自由基聚合或可逆加成断裂链转移自由基聚合。
本发明另一方面提供上述抗生物粘附材料的制备方法，该制备方法包括方法A和方法B中任意一种方法：
方法A：将两性离子单体与膦酸或膦酸酯单体混合并溶解，在引发剂和催化剂存在下进行共聚反应，得到两性离子单体与膦酸或膦酸酯单体的共聚物；
方法B：制备包含两性离子单体和膦酸或膦酸酯单体的两种单体中一种单体的均聚物，然后以均聚物作为大分子引发剂或链转移剂，以两种单体中另一种单体作为聚合单体，得到两性离子单体与膦酸或膦酸酯单体的共聚物。
方法A和方法B都是在惰性气氛中进行的，惰性气氛为氮气或氩气气氛。
方法A中，共聚反应使用的溶剂为水、磷酸盐缓冲液(PBS)、三氟乙醇或二甲亚砜，引发剂为过硫酸盐或过氧化氢，催化剂为亚铁盐、亚硫酸盐或四甲基乙二胺，反应温度为20～90℃，反应时间为1～48h，两性离子单体与膦酸或膦酸酯单体的物质的量之比为99∶1～1∶99。
方法B中，制备均聚物和共聚物的反应中使用的溶剂为水、磷酸盐缓冲液或三氟乙醇，反应温度为20～90℃，反应时间为1～48h；制备均聚物和共聚物的反应中使用了引发剂和催化剂或链转移剂；制备均聚物和共聚物的反应中使用的催化剂为溴化亚铜/联二吡啶复合催化剂或氯化亚铜/联二吡啶复合催化剂；制备均聚物的反应中使用的引发剂为2-溴异丁酸乙酯或偶氮二异丁腈，制备均聚物的反应中使用的链转移剂为2-氰基-2-丙基苯并二硫或甲基-2-(十二烷基三硫代碳酸酯)-2-甲基丙酸酯。
本发明另一方面提供一种抗生物粘附的金属器械，该金属器械表面设置有包含上述抗生物粘附材料的涂层。
金属器械为钛、钛合金、不锈钢或镁合金器械；该抗生物粘附的金属器械的制备方法包括以下步骤：
1)配制所述抗生物粘附材料的溶液，使该溶液中所述抗生物粘附材料的浓度为0.5～200mg/mL；
2)将经过等离子体清洗的金属器械在步骤1)配制的所述抗生物粘附材料的溶液中浸泡1min～24h，取出后在20～200℃反应1～48h。
步骤2)之后，将经步骤2)处理的金属器械索氏提取24～72h，以清洗金属器械表面杂质。
有益效果：本发明通过简单的方法制得抗生物粘附材料，该抗生物粘附材料稳定性高、生物相容性好、抗生物粘附性好，通过简单的涂层工艺即可在金属表面形成稳定的聚合物涂层，可用于金属器械表面改性的抗生物粘附共聚物涂层，还可用于制备金属基生物相容性材料及其器械，适用于各种医用金属材料，在生物医疗领域有广阔的市场应用前景。经两性离子/膦酸(酯)聚合物涂层改性的金属表面蛋白质的非特异性吸附显著降低，抗生物粘附性能(低蛋白质吸附，高抗血小板粘附、高抗细胞粘附、高抗细菌粘附)显著提高。
附图说明
图1抗生物粘附材料核磁共振图谱；
图2两种不同摩尔比的抗生物粘附材料GPC曲线(重均分子量Mw及分子量分散系数PDI)；
图3抗生物粘附材料改性前后钛合金表面XPS图谱；
图4抗生物粘附材料改性前后金属表面蛋白吸附对比图；
图5抗生物粘附材料改性前后金属表面血小板粘附SEM对比照片；
图6抗生物粘附材料改性前后金属表面细胞粘附对比图。
图7抗生物粘附材料改性前后金属表面大肠杆菌粘附对比图；
具体实施方式
实施例1
(1)抗生物粘附材料的制备方法为：
在氩气保护下，将(0.75mmol)磺胺两性离子单体(n＝2，m＝3，R：甲基丙烯酸酯型)与(6.75mmol)膦酸单体(n＝1，R1：H，R2：甲基丙烯酸酯型)以摩尔比1∶9的比例溶解于水中，再将过硫酸钾(APS)(0.5mmol)、四甲基乙二胺(TEMED)(11.25μL)加入反应体系，经均匀混合后于室温下反应24h，产物经甲醇沉降后得到白色聚合物，将聚合物于室温下真空干燥，制备得到两性离子/膦酸共聚物，其分子量为9.9万，分子量分散系数为2.7。
磺铵：
膦酸：
(2)抗生物粘附的钛合金材料制备方法为：
将步骤(1)制得的共聚物溶于无菌PBS中配制成50mg/mL共聚物PBS溶液，再将经等离子处理后的钛合金在新配制的共聚物PBS溶液中浸渍12h。取出钛合金材料并于室温下真空干燥48小时。将经真空干燥过后的钛合金在水中索氏提取24h，并真空干燥，即得抗生物粘附的钛合金材料。
实施例2
(1)抗生物粘附材料的制备方法为：
在氮气保护下，将(1mmol)磷铵两性离子单体(n＝3，m＝4，R：丙烯酸酯型)溶解于甲醇(10mL)中，再将2-溴异丁酸乙酯(0.2mmol)、溴化亚铜(0.2mmol)/联二吡啶(0.4mmol)加入反应体系，经均匀混合后于37℃下反应12h，经乙醚沉降后的白色聚合物于室温下真空干燥，即得两性离子均聚物。向制得的两性离子均聚物中加入39mmol膦酸单体，以膦酸单体(n＝3，R1：H，R2：苯乙烯型)为聚合单体，以两性离子均聚物为大分子引发剂(膦酸单体与制备均聚物使用的磷铵两性离子单体的摩尔比为97.5∶2.5)，经与两性离子均聚物制备同样的聚合条件(单体浓度以及催化剂类型和浓度)，在37℃下反应12h，制备得到两性离子/膦酸共聚物。
磷铵：
膦酸：
(2)抗生物粘附的钛合金材料制备方法为：
将步骤(1)制得的共聚物溶于甲醇中配制成100mg/mL共聚物甲醇溶液，再将经等离子处理后的钛合金在新配制的共聚物甲醇溶液溶液中浸渍30min。取出钛合金材料并于80℃下真空干燥24小时。将经真空干燥过后的钛合金在水中索氏提取36h，并真空干燥，即得抗生物粘附的钛合金材料。
实施例3
(1)抗生物粘附材料的制备方法为：
在氩气保护下，将羧铵两性离子单体(n＝3，m＝5，R：甲基丙烯酰胺酯型)溶解于三氟乙醇中，再将偶氮二异丁腈、2-氰基-2-丙基苯并二硫加入反应体系(各物质的摩尔比为羧铵两性离子单体∶偶氮二异丁腈∶2-氰基-2-丙基苯并二硫＝50∶1∶1)，经均匀混合后于60℃下反应24h，经乙醚沉降后的白色聚合物于室温下真空干燥，即得两性离子均聚物。向制得的两性离子均聚物中加入膦酸酯单体，以膦酸酯单体(n＝4，R1：OCH2CH3，R2：乙烯基型)为聚合单体，以两性离子均聚物为大分子链转移剂(膦酸酯单体与制备均聚物使用的羧铵两性离子单体的摩尔比为1∶1)，经与两性离子均聚物制备同样的聚合条件(单体浓度以及催化剂类型和浓度)，在60℃下反应24h，制备得到两性离子/膦酸酯共聚物。
羧铵：
膦酸酯：
(2)抗生物粘附的钛合金材料制备方法为：
将步骤(1)制得的共聚物溶于三氟乙醇中配制成10mg/mL共聚物溶液，再将经等离子处理后的钛金属在新配制的共聚物甲醇溶液中浸渍10min。取出钛金属材料并于120℃下真空干燥24小时。将经真空干燥过后的钛金属在水中索氏提取48h，并真空干燥，即得抗生物粘附的钛金属材料。
实施例4
(1)抗生物粘附材料的制备方法为：
在氮气保护下，将(4.5mmol)羧铵两性离子单体(n＝6，m＝3，R：乙烯基型)与(0.3mmol)膦酸单体(n＝6，R1：H，R2：丙烯酸酯型)以摩尔比15∶1的比例溶解于7.5mL PBS中，再将过硫酸钾(APS)0.5mmol、四甲基乙二胺(TEMED)11.25μL加入反应体系，经均匀混合后于50℃下反应24h，经甲醇沉降后的白色聚合物于室温下真空干燥，制备得到两性离子/膦酸共聚物，共聚物分子量为13.7万，分子量分散系数为3.4。
羧铵：
膦酸：
(2)抗生物粘附的钛合金材料制备方法为：
将步骤(1)制得的共聚物溶于无菌PBS中配制成5mg/mL共聚物水溶液，再将经等离子处理后的镁合金在新配制的共聚物水溶液中浸渍1h。取出镁合金材料并于室温下真空干燥12小时。将经真空干燥过后的镁合金在水中索氏提取72h，并真空干燥，即得抗生物粘附的镁合金材料。
实施例5
(1)抗生物粘附材料的制备方法为：
在氮气保护下，将膦酸酯单体(n＝1，R1：OCH2CH3，R2：甲基丙烯酰胺酯型)溶解于三氟乙醇中，再将2-溴异丁酸乙酯、氯化亚铜/联二吡啶加入反应体系(各物质的摩尔比为膦酸酯单体∶2-溴异丁酸乙酯∶氯化亚铜∶联二吡啶＝50∶1∶1∶2)，经均匀混合后于室温下反应24h，经乙醚沉降后的白色聚合物于室温下真空干燥，即得膦酸酯均聚物。向制得的膦酸酯均聚物中加入磺铵两性离子单体，以磺铵两性离子单体(n＝5，m＝2，R：甲基丙烯酸酯型)为聚合单体，以膦酸酯均聚物为大分子链转移剂(磺铵两性离子单体与制备膦酸酯均聚物使用的膦酸酯单体的摩尔比为1∶1)，经均匀混合后于37℃下反应12h，制备得到两性离子/膦酸酯共聚物。
磺铵：
膦酸酯：
(2)抗生物粘附的钛合金材料制备方法为：
将共聚物溶于二甲亚砜中配制成1mg/mL共聚物溶液，再将经等离子处理后的不锈钢在新配制的共聚物溶液中浸渍30min。取出不锈钢材料并于80℃下真空干燥24小时。将经真空干燥过后的不锈钢在水中索氏提取36h，并真空干燥，即得抗生物粘附的不锈钢材料。
实施例6
(1)抗生物粘附材料的制备方法为：
在氩气保护下，将膦酸酯单体(n＝4，R1：OCH3，R2：丙烯酰胺酯型)溶解于甲醇中，再将偶氮二异丁腈、甲基-2-(十二烷基三硫代碳酸酯)-2-甲基丙酸酯(各物质的摩尔比为膦酸酯单体∶偶氮二异丁腈∶甲基-2-(十二烷基三硫代碳酸酯)-2-甲基丙酸酯＝50∶1∶1)加入反应体系，经均匀混合后于室温下反应36h，经乙醚沉降后的白色聚合物于室温下真空干燥，即得膦酸酯均聚物。向制得的膦酸酯均聚物中加入羧铵两性离子单体，以羧铵两性离子(n＝4，m＝6，R：苯乙烯)为聚合单体，以膦酸酯均聚物为大分子链转移剂(羧铵两性离子单体与制备膦酸酯均聚物使用的膦酸酯单体的摩尔比为1∶1)，经均匀混合后于37℃下反应12h，制备得到两性离子/膦酸酯共聚物。
羧铵：
膦酸酯：
(2)抗生物粘附的钛合金材料制备方法为：
将共聚物溶于甲醇中配制成20mg/mL共聚物溶液，再将经等离子处理后的钛合金在新配制的共聚物甲醇溶液中浸渍10min。取出钛合金材料并于120℃下真空干燥24小时。将经真空干燥过后的钛合金在水中索氏提取48h，并真空干燥，即得抗生物粘附的钛合金材料。
实施例7
(1)抗生物粘附材料的制备方法为：
在氩气保护下，将(7.125mmol)磺铵两性离子单体(n＝2，m＝3，R：甲基丙烯酸酯型)与(0.375mmol)膦酸单体(n＝1，R1：H，R2：甲基丙烯酸酯型)以摩尔比95∶5的比例溶解于水中，再将过硫酸钾(APS)0.5mmol、四甲基乙二胺(TEMED)11.25μL加入反应体系，经均匀混合后于室温下反应24h，产物经甲醇沉降后得到白色聚合物，将聚合物于室温下真空干燥，制备得到两性离子/膦酸共聚物，共聚物分子量为23.7万，分子量分散系数为2.4。
磺铵：
膦酸：
(2)抗生物粘附的钛合金材料制备方法为：
将步骤(1)制得的共聚物溶于无菌PBS中配制成50mg/mL共聚物PBS溶液，再将经等离子处理后的钛合金在新配制的共聚物PBS溶液中浸渍12h。取出钛合金材料并于室温下真空干燥48小时。将经真空干燥过后的钛合金在水中索氏提取24h，并真空干燥，即得抗生物粘附的钛合金材料。
结构、性能表征
图1为抗生物粘附材料的核磁共振图谱，pSBMA-co-pMMPA代表磺铵两性离子单体与膦酸单体反应生成的共聚物，pDEMMP-b-pSBMA代表磷酸酯单体与磺胺两性离子的均聚物反应生成的共聚物，核磁图谱可看出各特征峰明显，且聚合物不含杂质；图2为抗生物粘附材料凝胶渗透色谱(GPC)曲线(重均分子量Mw及分子量分散系数PDI)；图3为抗生物粘附材料改性前后钛合金表面的XPS图谱，其中TC4代表抗生物粘附材料改性前的钛合金，TC4-pSBMA-co-pMMPA代表抗生物粘附材料改性后的钛合金，由图3可看抗生物粘附材料成功涂覆到了合金表面。从图1到图3可以看出，本发明成功制备了各种两性离子/膦酸(酯)聚合物，并通过简单的工艺成功将聚合物接枝到金属基材表面。
图4为经抗生物粘附材料改性前后金属表面蛋白吸附量对比图，由图4看出抗生物粘附材料改性后的金属表面蛋白吸附量明显低于未改性的金属表面蛋白吸附量；图5为经抗生物粘附材料改性前后金属表面血小板粘附SEM对比照片，由图5可以看出抗生物粘附材料改性后的金属表面血小板的粘附数量明显减少；图6为经抗生物粘附材料改性前后金属表面细胞粘附对比图，由图6可以看出表面改性后细胞的粘附数量明显减少；图7为经抗生物粘附材料改性前后金属表面大肠杆菌粘附对比图，由图7可以看出，抗生物粘附材料改性后的大肠杆菌的粘附数量明显减少。从图3到图7可以看出：经抗生物粘附材料改性的金属表面显著降低蛋白质的非特异性的吸附，而且几乎不再粘附血小板、大肠杆菌和细胞，得到抗生物粘附性能显著提升的金属表面。

Claims (10)

1.一种抗生物粘附材料，其特征在于，该抗生物粘附材料为两性离子单体与膦酸或膦酸酯单体共聚形成的共聚物。
2.根据权利要求1所述的抗生物粘附材料，其特征在于，所述两性离子单体为磷铵、羧铵或磺铵两性离子单体，所述磷铵、羧铵或磺铵两性离子单体结构式分别如下所示：
磷铵：
磺铵：
羧铵：
R：
3.根据权利要求1所述的抗生物粘附材料，其特征在于，所述膦酸或膦酸酯单体为不饱和膦酸或膦酸酯单体，所述膦酸或膦酸酯单体结构式如下所示：
R1＝H或OCH3或OCH2CH3
4.根据权利要求1所述的抗生物粘附材料，其特征在于，所述共聚物由物质的量之比为99∶1～1∶99的两性离子单体和膦酸或膦酸酯单体共聚形成，所述共聚物分子量为5000～1000000，分子量分散系数为1.1～10.0。
5.权利要求1～4中任意一项所述的抗生物粘附材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括方法A和方法B中任意一种方法：
方法A：将两性离子单体与膦酸或膦酸酯单体混合并溶解，在引发剂和催化剂存在下进行共聚反应，得到两性离子单体与膦酸或膦酸酯单体的共聚物；
方法B：制备包含两性离子单体和膦酸或膦酸酯单体的两种单体中一种单体的均聚物，然后以所述均聚物作为大分子引发剂或链转移剂，以所述两种单体中另一种单体作为聚合单体，制备两性离子单体与膦酸或膦酸酯单体的共聚物。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，方法A和方法B都是在惰性气氛中进行的。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，方法A中，共聚反应使用的溶剂为水、磷酸盐缓冲液、三氟乙醇或二甲亚砜，引发剂为过硫酸盐或过氧化氢，催化剂为亚铁盐、亚硫酸盐或四甲基乙二胺，反应温度为20～90℃，反应时间为1～48h。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，方法B中，制备所述均聚物和所述共聚物的反应中使用的溶剂为水、磷酸盐缓冲液或三氟乙醇，反应温度为20～90℃，反应时间为1～48h；制备均聚物和共聚物的反应中使用了引发剂和催化剂或链转移剂；制备所述均聚物和所述共聚物的反应中使用的催化剂为溴化亚铜/联二吡啶或氯化亚铜/联二吡啶；制备所述均聚物的反应中使用的引发剂为2-溴异丁酸乙酯或偶氮二异丁腈，制备所述均聚物的反应中使用的链转移剂为2-氰基-2-丙基苯并二硫或甲基-2-(十二烷基三硫代碳酸酯)-2-甲基丙酸酯。
9.一种抗生物粘附的金属器械，其特征在于，该金属器械表面设置有包含权利要求1～4中任意一项所述的抗生物粘附材料的涂层。
10.根据权利要求9所述的抗生物粘附的金属器械，其特征在于，所述金属器械为钛、钛合金、不锈钢或镁合金器械；所述抗生物粘附的金属器械的制备方法包括以下步骤：
1)配制所述抗生物粘附材料的溶液，使该溶液中所述抗生物粘附材料的浓度为0.5～200mg/mL；
2)将经过等离子体清洗的金属器械在步骤1)配制的所述抗生物粘附材料的溶液中浸泡1min～24h，取出后在20～200℃反应1～48h。
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