CN107837428A - 一种缓释抗生素的抑菌涂层材料 - Google Patents

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Abstract

本发明属于生物技术材料，具体涉及一种用于预防植入器械迟发感染的含抗生素的抑菌涂层材料及其制备方法，选用聚乙烯醇，聚乙二醇，透明质酸，海藻酸钙，明胶一种或几种水溶性聚合物，与水溶性抗生素混合，经由高压电喷于连接器表面，所述的抗生素包括替硝唑、头孢拉丁、左氧氟沙星、环丙沙星、万古霉素等；选用水不溶的聚合物，如聚乳酸、聚乙烯醇缩丁醛、聚己内酯、聚乙丙交酯共聚物，经电纺喷于水溶性聚合物外层；以乙醇、THF、二氯甲烷、DMF等处理不同时间控制表面孔隙，从而延长释放速率。

Description

一种缓释抗生素的抑菌涂层材料
技术领域
本发明属于生物技术材料，具体涉及一种用于预防植入器械迟发感染的含抗生素的抑菌涂层材料及其制备方法，更具体的，是一种利用高压静电喷涂及高压静电纺丝联合工艺制备的含抗生素的纤维膜材料。
背景技术
复杂的开放性骨折通常会使得骨骼周边软组织与外界接触从而导致严重的伤口感染，即使彻底清创，利用内置固定器修复后的损伤部位仍有极大概率发生迟发感染及联合性感染，严重者还可能导致固定器周边骨头再次坏死，甚至引起败血症而危及生命。由于内置固定器与骨周边的血管较少，传统的静脉注射抗生素很难到达病灶，还容易引起周身的毒性反应，破坏免疫，细菌产生抗药性使感染反复发生。在欧盟，PMMA微球负载庆大霉素作为局部注射用制剂用于治疗骨髓炎已经获批进入临床使用，但是缺点也非常明显，因为PMMA无法降解，抗生素释放之后还需要手术手段取出PMMA微球。
在连接固定器上直接沉积含有抗生素的载体能够实现局部原位的抑菌，这样能够有效的减少抗生素使用的副作用，并且降低临床使用费用。此类的载体材料可以随后随固定器一起取出，或一直附载于固定器上，并不会影响固定器的功能。利用高分子载体材料，制备成微球、纳米球、薄膜或者纤维都能够作为药物或活性物质载体使用，并通过设计高分子材料的组成结构能够有效的控制药物或活性物质的释放速率。其中，薄膜/纤维膜是最常沉积于植入器械涂层的，如支架、绷带、缝线等，涂层在原位持续释放治疗药物或环境响应式释放活性物质从而辅助增强器械疗效。实际上，这样的薄膜也适合作为涂层释放抗生素，然而，能够按照临床使用需求稳定控制抗生素释放并控制其释放后效果的仍然很少。如果药物释放过快，绝大多数药物在实际感染发生前可能就已经释放完毕了；如果药物释放很慢，累积药量起效前，细菌就已经大量繁殖，从而使得感染无法抑制。此外，药物负载效率也一直很难提高，如果抗生素的释放浓度低于最低抑菌浓度，还可能导致细菌很快产生抗药性，从而变异发生更严重的细菌定植或多发性感染。因此，理想的抗生素释放体系应该能够持续在特定部位释放高于最低抑菌剂量的药量，初期，该体系可以释放高剂量的抗生素以抑制术后快速的细菌繁殖；长期而言，依旧可以持续稳定释放有效剂量以提供持续的抗感染预防效果。
高压电喷沉积是利用静电场将溶液均匀喷涂在导体表面的一种方法，受静电排斥力及溶剂挥发的作用，电喷形成的沉积涂层接近半干，控制好电场强度方向，该手段能够在各种形状的材料表面均匀成膜。将水凝胶负载高剂量抗生素利用高压电喷沉积的方式喷涂于连接器的表面，选择适宜的抗生素及匹配的药物释放曲线，能够在不影响造骨细胞和骨细胞增殖的同时有效抑制细菌定植及感染。然而，水凝胶虽然可以负载大剂量的抗生素，但由于其水溶性，药物往往一接触体液就开始大量释放，短短几个小时就会释放完全，很难实际使用。为更好的控制药物释放曲线，水不溶但可降解的聚合物被电纺在载药膜外层，通过该聚合物的良溶剂处理不同时间可以使其发生不同程度的溶胀，从而控制水不溶聚合物涂层的孔隙以控制药物扩散通道。表面孔隙率低于10％，能够有效延长后期药物释放时间。由此，能够保证植入材料安全性，药物负载剂量及释放曲线可控的多种要求同时得以实现，从而设计开发出用于预防植入器械迟发感染的含抗生素的抑菌涂层材料。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种用于预防植入器械迟发感染的含抗生素的抑菌涂层材料及其制备方法，更具体的，是一种利用高压静电喷涂及高压静电纺丝联合工艺制备的含抗生素的纤维膜材料。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：一种缓释抗生素的抑菌涂层材料，其特征在于：所述抑菌涂层材料的制备步骤如下：
步骤1，将水溶性抗生素加入去离子水中，配置成浓度为30％的抗生素水溶液；
步骤2，将水溶性聚合物加入抗生素水溶液中加热至70℃，配置成浓度为 20％的混合溶液；
步骤3，将混合溶液加入至高压静电纺丝机上进行骨科连接器表面喷涂，真空干燥箱50℃烘干12h；
步骤4，将不溶于水的聚合物溶于DMF/二氯甲烷混合液，配置成20％-50％纺丝液；
步骤5，将纺丝液加入至高压静电纺丝机中喷涂在步骤3烘干的骨科连接器表面，然后浸泡在有机溶液中0.5-5min，取出后在真空干燥箱烘干24h，得到抑菌涂层材料。
所述步骤1中的水溶性抗生素采用替硝唑、头孢拉丁、左氧氟沙星、环丙沙星、万古霉素中的一种或几种。
所述步骤2中的水性聚合物采用聚乙烯醇、聚乙二醇、透明质酸、海藻酸钙、明胶中一种或几种。
所述步骤3中的高压静电纺丝机的参数如下：接收装置为两端夹子的旋转固定台，转速为100-300r/min，喷头水平移动距离为7-15cm往复，推进速率为 5-30uL/min，接收距离为18-21cm，电压为35-45kV。
所述步骤4中的不溶于水的聚合物采用聚乳酸、聚乙烯醇缩丁醛、聚己内酯、聚乙丙交酯共聚物的一种或几种。
所述步骤4中的DMF/二氯甲烷混合液的DMF与二氯甲烷的体积比为。
所述步骤5中的高压静电纺丝机参数为：接收装置为两端夹子的旋转固定台，转速为100-300r/min，喷头水平移动距离为7-15cm往复，推进速率为 5-20uL/min，接收距离为15-18cm，电压为17-45kV。
所述步骤5中的有机溶剂采用乙醇、THF、二氯甲烷、DMF中的一种。
所述步骤5中的抑菌涂层材料中抗生素含量不低于总含量的30％，总含量是抗生素、水溶性聚合物和不溶于水聚合物的总量。
所述水溶性聚合物的分子量为2万至10万，所述不溶于水的聚合物的分子量为6万至20万。
本发明选用聚乙烯醇，聚乙二醇，透明质酸，海藻酸钙，明胶一种或几种水溶性聚合物，与水溶性抗生素混合，经由高压电喷于连接器表面，所述的抗生素包括替硝唑、头孢拉丁、左氧氟沙星、环丙沙星、万古霉素等；选用水不溶的聚合物，如聚乳酸、聚乙烯醇缩丁醛、聚己内酯、聚乙丙交酯共聚物，经电纺喷于水溶性聚合物外层；以乙醇、THF、二氯甲烷、DMF等处理不同时间控制表面孔隙，从而延长释放速率。
本发明制备的抑菌涂层材料可稳定释放高于最低抑菌剂量的抗生素2-10 周，且对细菌数量＞104/cm2的浓度有＞99％的抑菌效果。
从以上描述可以看出，本发明具备以下优点：
1.本发明制备一种用于预防植入器械迟发感染的含抗生素的抑菌涂层材料，能够保证植入材料安全性，实现了药物负载剂量及释放曲线可控。
2.本发明采用高压电喷沉积制备抑菌材料，能够在受静电排斥力及溶剂挥发的作用下，电喷形成的沉积涂层接近半干，控制好电场强度方向，能够在材料表面均匀成膜。
3.本发明将水凝胶负载高剂量抗生素以高压电喷沉积的方式喷涂于连接器的表面，能够在不影响造骨细胞和骨细胞增殖的同时有效抑制细菌定植及感染，不溶于水但可降解的聚合物被电纺在载药膜外层，通过该聚合物的有机溶剂处理不同时间可以使其发生不同程度的溶胀，从而控制不溶于水聚合物涂层的孔隙以控制药物扩散通道。
4.本发明制备的抑菌涂层材料表面孔隙率低于10％，能够有效延长后期药物释放时间。
具体实施方式
结合实施例详细说明本发明，但不对本发明的权利要求做任何限定。
实施例1
一种缓释抗生素的抑菌涂层材料，其特征在于：所述抑菌涂层材料的制备步骤如下：
步骤1，将水溶性抗生素加入去离子水中，配置成浓度为30％的抗生素水溶液；
步骤2，将水溶性聚合物加入抗生素水溶液中加热至70℃，配置成浓度为 20％的混合溶液；
步骤3，将混合溶液加入至高压静电纺丝机上进行骨科连接器表面喷涂，真空干燥箱50℃烘干12h；
步骤4，将不溶于水的聚合物溶于DMF/二氯甲烷混合液，配置成20％纺丝液；
步骤5，将纺丝液加入至高压静电纺丝机中喷涂在步骤3烘干的骨科连接器表面，然后浸泡在有机溶液中0.5min，取出后在真空干燥箱烘干24h，得到抑菌涂层材料。
所述步骤1中的水溶性抗生素采用替硝唑。
所述步骤2中的水性聚合物采用聚乙烯醇。
所述步骤3中的高压静电纺丝机的参数如下：接收装置为两端夹子的旋转固定台，转速为100r/min，喷头水平移动距离为7-15cm往复，推进速率为5uL/min，接收距离为18cm，电压为35kV。
所述步骤4中的不溶于水的聚合物采用聚乳酸。
所述步骤4中的DMF/二氯甲烷混合液的DMF与二氯甲烷的体积比为。
所述步骤5中的高压静电纺丝机参数为：接收装置为两端夹子的旋转固定台，转速为100r/min，喷头水平移动距离为7-15cm往复，推进速率为5uL/min，接收距离为15cm，电压为17kV。
所述步骤5中的有机溶剂采用乙醇。
所述步骤5中的抑菌涂层材料中抗生素含量为总含量的30％，总含量是抗生素、水溶性聚合物和不溶于水聚合物的总量。
所述水溶性聚合物的分子量为2万，所述不溶于水的聚合物的分子量为6 万。
实施例1得到的抑菌涂层材料，下层为水溶性涂层，呈致密性结构，上层为非水溶性聚合物涂层，结构较为松散，中间部分起到过渡效果。抑菌涂层材料表面孔隙率低，能够大大降低药物的释放过程，同时非水溶性聚合物涂层能够有效的起到支撑效果，防止在框架坍塌。
实施例2
一种缓释抗生素的抑菌涂层材料，其特征在于：所述抑菌涂层材料的制备步骤如下：
步骤1，将水溶性抗生素加入去离子水中，配置成浓度为30％的抗生素水溶液；
步骤2，将水溶性聚合物加入抗生素水溶液中加热至70℃，配置成浓度为 20％的混合溶液；
步骤3，将混合溶液加入至高压静电纺丝机上进行骨科连接器表面喷涂，真空干燥箱50℃烘干12h；
步骤4，将不溶于水的聚合物溶于DMF/二氯甲烷混合液，配置成50％纺丝液；
步骤5，将纺丝液加入至高压静电纺丝机中喷涂在步骤3烘干的骨科连接器表面，然后浸泡在有机溶液中5min，取出后在真空干燥箱烘干24h，得到抑菌涂层材料。
所述步骤1中的水溶性抗生素采用头孢拉丁。
所述步骤2中的水性聚合物采用聚乙二醇。
所述步骤3中的高压静电纺丝机的参数如下：接收装置为两端夹子的旋转固定台，转速为300r/min，喷头水平移动距离为7-15cm往复，推进速率为30uL/min，接收距离为21cm，电压为45kV。
所述步骤4中的不溶于水的聚合物采用聚乙烯醇缩丁醛。
所述步骤4中的DMF/二氯甲烷混合液的DMF与二氯甲烷的体积比为。
所述步骤5中的高压静电纺丝机参数为：接收装置为两端夹子的旋转固定台，转速为300r/min，喷头水平移动距离为7-15cm往复，推进速率为20uL/min，接收距离为18cm，电压为45kV。
所述步骤5中的有机溶剂采用THF，浸泡时间为。
所述步骤5中的抑菌涂层材料中抗生素含量是总含量的50％，总含量是抗生素、水溶性聚合物和不溶于水聚合物的总量。
所述水溶性聚合物的分子量为10万，所述不溶于水的聚合物的分子量为20 万。
实施例3
一种缓释抗生素的抑菌涂层材料，其特征在于：所述抑菌涂层材料的制备步骤如下：
步骤1，将水溶性抗生素加入去离子水中，配置成浓度为30％的抗生素水溶液；
步骤2，将水溶性聚合物加入抗生素水溶液中加热至70℃，配置成浓度为 20％的混合溶液；
步骤3，将混合溶液加入至高压静电纺丝机上进行骨科连接器表面喷涂，真空干燥箱50℃烘干12h；
步骤4，将不溶于水的聚合物溶于DMF/二氯甲烷混合液，配置成40％纺丝液；
步骤5，将纺丝液加入至高压静电纺丝机中喷涂在步骤3烘干的骨科连接器表面，然后浸泡在有机溶液中4min，取出后在真空干燥箱烘干24h，得到抑菌涂层材料。
所述步骤1中的水溶性抗生素采用左氧氟沙星。
所述步骤2中的水性聚合物采用透明质酸。
所述步骤3中的高压静电纺丝机的参数如下：接收装置为两端夹子的旋转固定台，转速为200r/min，喷头水平移动距离为7-15cm往复，推进速率为20uL/min，接收距离为20cm，电压为40kV。
所述步骤4中的不溶于水的聚合物采用聚己内酯。
所述步骤4中的DMF/二氯甲烷混合液的DMF与二氯甲烷的体积比为。
所述步骤5中的高压静电纺丝机参数为：接收装置为两端夹子的旋转固定台，转速为200r/min，喷头水平移动距离为7-15cm往复，推进速率为10uL/min，接收距离为17cm，电压为35kV。
所述步骤5中的有机溶剂采用DMF，浸泡时间为。
所述步骤5中的抑菌涂层材料中抗生素含量为总含量的40％，总含量是抗生素、水溶性聚合物和不溶于水聚合物的总量。
所述水溶性聚合物的分子量为8万，所述不溶于水的聚合物的分子量为14 万。
综上所述，本发明具有以下优点：
1.本发明制备一种用于预防植入器械迟发感染的含抗生素的抑菌涂层材料，能够保证植入材料安全性，实现了药物负载剂量及释放曲线可控。
2.本发明采用高压电喷沉积制备抑菌材料，能够在受静电排斥力及溶剂挥发的作用下，电喷形成的沉积涂层接近半干，控制好电场强度方向，能够在材料表面均匀成膜。
3.本发明将水凝胶负载高剂量抗生素以高压电喷沉积的方式喷涂于连接器的表面，能够在不影响造骨细胞和骨细胞增殖的同时有效抑制细菌定植及感染，不溶于水但可降解的聚合物被电纺在载药膜外层，通过该聚合物的有机溶剂处理不同时间可以使其发生不同程度的溶胀，从而控制不溶于水聚合物涂层的孔隙以控制药物扩散通道。
4.本发明制备的抑菌涂层材料表面孔隙率低于10％，能够有效延长后期药物释放时间。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种缓释抗生素的抑菌涂层材料，其特征在于：所述抑菌涂层材料的制备步骤如下：
步骤1，将水溶性抗生素加入去离子水中，配置成浓度为30％的抗生素水溶液；
步骤2，将水溶性聚合物加入抗生素水溶液中加热至70℃，配置成浓度为20％的混合溶液；
步骤3，将混合溶液加入至高压静电纺丝机上进行骨科连接器表面喷涂，真空干燥箱50℃烘干12h；
步骤4，将不溶于水的聚合物溶于DMF/二氯甲烷混合液，配置成20％-50％纺丝液；
步骤5，将纺丝液加入至高压静电纺丝机中喷涂在步骤3烘干的骨科连接器表面，然后浸泡在有机溶液中0.5-5min，取出后在真空干燥箱烘干24h，得到抑菌涂层材料。
2.根据权利要求1所述的一种缓释抗生素的抑菌涂层材料，其特征在于：所述步骤1中的水溶性抗生素采用替硝唑、头孢拉丁、左氧氟沙星、环丙沙星、万古霉素中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种缓释抗生素的抑菌涂层材料，其特征在于：所述步骤2中的水性聚合物采用聚乙烯醇、聚乙二醇、透明质酸、海藻酸钙、明胶中一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种缓释抗生素的抑菌涂层材料，其特征在于：所述步骤3中的高压静电纺丝机的参数如下：接收装置为两端夹子的旋转固定台，转速为100-300r/min，喷头水平移动距离为7-15cm往复，推进速率为5-30uL/min，接收距离为18-21cm，电压为35-45kV。
5.根据权利要求1所述的一种缓释抗生素的抑菌涂层材料，其特征在于：所述步骤4中的不溶于水的聚合物采用聚乳酸、聚乙烯醇缩丁醛、聚己内酯、聚乙丙交酯共聚物的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的一种缓释抗生素的抑菌涂层材料，其特征在于：所述步骤4中的DMF/二氯甲烷混合液的DMF与二氯甲烷的体积比为1-4:2。
7.根据权利要求1所述的一种缓释抗生素的抑菌涂层材料，其特征在于：所述步骤5中的高压静电纺丝机参数为：接收装置为两端夹子的旋转固定台，转速为100-300r/min，喷头水平移动距离为7-15cm往复，推进速率为5-20uL/min，接收距离为15-18cm，电压为17-45kV。
8.根据权利要求1所述的一种缓释抗生素的抑菌涂层材料，其特征在于：所述步骤5中的有机溶剂采用乙醇、THF、二氯甲烷、DMF中的一种。
9.根据权利要求1所述的一种缓释抗生素的抑菌涂层材料，其特征在于：所述步骤5中的抑菌涂层材料中抗生素含量不低于总含量的30％，总含量是抗生素、水溶性聚合物和不溶于水聚合物的总量。
10.根据权利要求1所述的一种缓释抗生素的抑菌涂层材料，其特征在于：所述水溶性聚合物的分子量为2万至10万，所述不溶于水的聚合物的分子量为6万至20万。
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