CN109912826A - 一种表面修饰有亲水润滑涂层的生物材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种表面修饰有亲水润滑涂层的生物材料及其制备方法，属于生物医疗器械材料表界面改性技术领域。本发明将乙烯基活性单体、盐酸多巴胺和tris缓冲液混合，形成前驱体溶液；将待修饰生物基材浸入到前驱体溶液中发生聚合反应。本发明的多巴胺在有氧条件下，经氧化自交联聚合形成聚多巴胺；同时多巴胺在氧化自交联过程会产生自由基，而产生的自由基会引发乙烯基活性单体在生物基材表面发生自由基聚合形成涂层，由于聚多巴胺的湿粘附效应使涂层很好地粘附在生物基材表面；使得涂层与生物基材表面结合力较好；该过程无需紫外线或加热等手段，成本低廉；由于聚乙烯基活性单体中含有大量的亲水性基团，使生物材料呈现出稳定的水润滑性能。
Description
技术领域
本发明涉及生物医疗器械材料表界面改性技术领域，尤其涉及一种表面修饰有亲水润滑涂层的生物材料及其制备方法。
背景技术
随着高端生物材料和医疗器械领域的发展，对植介入材料表面的功能性提出了更高的要求。例如，组织相容、抗菌、抗凝血以及生物降解性等。其中，对于介入型医用材料而言，表面低摩擦是其重要指标之一。例如，胃管、导丝、导尿管等辅助器械在插入和移除人体时，必须保证器械表面优异的水润滑特性，以减轻病人的痛苦。因此，为了提高植介入型医疗器械材料表面的水润滑性能，必须对其表面进行亲水改性。
表面修饰亲水高分子层是改善植介入医疗材料水润滑性能的有效手段之一。关于生物和医用材料表面水润滑改性的专利很多，其中以导管表面润滑处理相关的技术报道最多。简而言之，先通过提拉方式在导管表面涂覆一层高粘度的亲水性高分子溶液，后经紫外辐照工艺实现涂层固化，制备亲水润滑涂层。此方法看似简单却存在一些缺点，如亲水涂层与疏水导管表面结合力不强，易在机械力作用下被剪切掉，导致水润滑性能不稳定。如美国专利US 8455094 B2和中国专利CN 102264403 A均采用此方法修饰亲水润滑涂层。基于此问题，单层涂覆技术逐渐升级为双层涂覆技术，即导管表面先涂覆一层疏水或半亲水的高分子溶液，经紫外光固化形成底层；而后在底层表面涂覆一层亲水的高分子溶液，经紫外光固化形成表面层，以此制备得到具有双层结构的亲水润滑涂层。较单层技术相比，双层涂覆工艺制备得到的水润滑涂层与基材结合力较好，水润滑性能很稳定。例如公开的美国专利US 4835003、US 5331027、US 6042876、US6299980 B1、US 5160790中均采用双层涂覆技术。
然而，无论对单层涂覆技术还是双层涂覆技术而言，其制备工艺都很繁杂，需要昂贵的紫外固化成型设备；此外，涂覆工艺对溶液流变学性能要求较高，前驱体溶液的粘度、浸润性、流平性和消泡性能都需严格调配和控制；进一步，现有光固化涂层技术无法针对不透明的医疗器械材料的管内腔、凹孔或复杂结构体进行亲水润滑修饰改性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种表面修饰有亲水润滑涂层的生物材料及其制备方法，本发明提供的方法使涂层与生物材料表面具有优异的结合力和稳定的水润滑性能，且制备方法简单、易操作，成本低廉。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种表面修饰有亲水润滑涂层的生物材料的制备方法，包括以下步骤：
将乙烯基活性单体、盐酸多巴胺和tris缓冲液混合，形成前驱体溶液；
将待修饰生物基材浸入到所述前驱体溶液中进行聚合反应，得到表面修饰有亲水润滑涂层的生物材料。
优选地，所述乙烯基活性单体包括丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯、乙二醇甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸聚氧乙烯酯、丙烯酸、甲基丙烯酸钠盐、甲基丙烯酰氧乙基二甲基氯化铵、甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯、甲基丙烯酸环氧丙基磺酸钠、甲基丙烯酸3-磺酸丙酯钾盐、甲基丙烯酸海藻酸酯、甲基丙烯酸壳聚糖酯、甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱、磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯、羧基甜菜碱甲甲基丙烯酸酯、N-乙烯基吡咯烷酮和乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。
优选地，所述盐酸多巴胺和乙烯基活性单体的质量比为1.0：0.5～50。
优选地，所述盐酸多巴胺在前躯体溶液中的质量浓度为0.2～3.0mg/mL。
优选地，所述聚合反应的温度为常温，所述聚合反应的时间为2～24h。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的表面修饰有亲水润滑涂层的生物材料，所述亲水润滑涂层的厚度为5～50nm。
本发明提供了一种表面修饰有亲水润滑涂层的生物材料的制备方法，包括以下步骤：将乙烯基活性单体、盐酸多巴胺和tris缓冲液混合，形成前驱体溶液；待修饰生物基材浸入到所述前驱体溶液中进行聚合反应，得到表面修饰有亲水润滑涂层的生物材料。本发明中，多巴胺在有氧的条件下，经氧化自交联聚合形成聚多巴胺；同时多巴胺在氧化自交联过程会产生自由基，而产生的自由基原位引发双键单体乙烯基活性单体在生物基材表面发生自由基聚合形成交联聚合网络即涂层，由于聚多巴胺的湿粘附效应使乙烯基活性单体聚合形成的涂层很好地粘附在生物基材表面，使得涂层与生物基材表面结合力较好；该过程无需紫外线或加热等手段，成本低廉；由于聚乙烯基活性单体中含有大量的亲水性基团，使得生物基材表面呈现出稳定的水润滑性能。另外，前驱体溶液组分简单，制备简单，无需考虑粘度、流平性和浸润性等因素；且涂层的修饰过程仅为一步，制备工艺简单，可以对不透明医疗器械材料的管内腔、凹孔或复杂结构体面进行亲水润滑修饰改性，适用性强。实施例的数据表明：表面修饰有亲水润滑涂层的生物材料具有较小的水滴接触角，呈现亲水性；且300次往复循环测试过程中摩擦系数始终很稳定，大约在0.01～0.05之间。
附图说明
图1是修饰了PDA-PMPC涂层的PVC导尿管的照片；
图2是空白PVC导尿管和修饰了PDA-PMPC涂层的PVC导尿管的摩擦系数测试曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种表面修饰有亲水润滑涂层的生物材料的制备方法，包括以下步骤：
将乙烯基活性单体、盐酸多巴胺和tris缓冲液混合，形成前驱体溶液；
将待修饰生物基材浸入到所述前驱体溶液中进行聚合反应，得到表面修饰有亲水润滑涂层的生物材料。
本发明将乙烯基活性单体、盐酸多巴胺和tris缓冲液混合，形成前驱体溶液。在本发明中，所述乙烯基活性单体优选包括丙烯酰胺(AAm)、N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)、甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)、乙二醇甲基丙烯酸酯(OEGMA)、甲基丙烯酸聚氧乙烯酯(PEGMA)、丙烯酸(AA)、甲基丙烯酸钠盐(MAA)、甲基丙烯酰氧乙基二甲基氯化铵(METAC)、甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯(DMAEMA)、甲基丙烯酸环氧丙基磺酸钠(SGMA)、甲基丙烯酸3-磺酸丙酯钾盐(SPMA)、甲基丙烯酸海藻酸酯(SA-MA)、甲基丙烯酸壳聚糖酯(CA-MA)、甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱(MPC)、磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯(SBMA)、羧基甜菜碱甲甲基丙烯酸酯(CBMA)、N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)和乙烯吡咯烷酮(PVP)中的一种或多种。当所述乙烯基活性单体为混合物时，本发明对混合物中各物质的重量比不做具体限定，任意重量比均可。
在本发明中，所述tris缓冲液的pH值优选为8.0～8.5。
在本发明中，所述盐酸多巴胺和乙烯基活性单体的质量比优选为1.0：0.5～50，进一步优选为1.0：1～30，更优选为1.0：5～20。在本发明中，所述盐酸多巴胺在前躯体溶液中的质量浓度优选为0.2～3.0mg/mL，进一步优选为0.5～2.5mg/mL，更优选为1.0～2.0mg/mL。
本发明对所述乙烯基活性单体、盐酸多巴胺和tris缓冲液混合时的加入顺序不做具体限定。在本发明中，所述乙烯基活性单体、盐酸多巴胺和tris缓冲液的混合优选在搅拌的条件下进行，本发明对所述搅拌的转速和时间不做具体限定，只要能够使乙烯基活性单体、盐酸多巴胺和tris缓冲液充分溶解混合即可。
得到前驱体溶液后，本发明将待修饰生物基材浸入到所述前驱体溶液中进行聚合反应，得到表面修饰有亲水润滑涂层的生物材料。
本发明对所述待修饰生物基材的材质不做具体限定，本领域技术人员根据实际需要进行选择即可，具体的如，聚二氯乙烯(PVC)导尿管、聚四氟乙烯(PTFE)、硅橡胶、聚丙烯(PP)、聚二甲氧基硅氧烷(PDMS)。本发明对所述待修饰生物基材和前躯体溶液的用量比不做具体限定，只要能够使待修饰生物基材能够完全浸入到前躯体溶液中即可。
在本发明中，所述聚合反应的温度优选为室温，所述聚合反应的时间优选为2～24h。本发明的聚合反应在室温条件下进行，不需额外加热，节省了资源，且简化了制备方法。
聚合反应结束后，本发明优选将生物基材从反应液中取出，进行洗涤和烘干。在本发明中，所述洗涤用的溶剂优选包括乙醇和二次去离子水；所述乙醇和二次去离子水洗涤的次数独立地优选为1～3次；所述乙醇和二次去离子水每次洗涤的时间独立地优选为3～5min。本发明对烘干的温度和时间不做具体限定，只要能够使洗涤试剂完全除去即可。
本发明的多巴胺在有氧条件下，发生氧化自交联聚合形成聚多巴胺；同时多巴胺氧化自交联聚合过程会产生自由基，产生的自由基会引发乙烯基活性单体的聚合反应，进而在生物基材表面形成聚多巴胺-聚乙烯基活性单体的涂层；由于涂层中聚多巴胺的湿粘附效应使得涂层能够很好地结合在生物基材表面。另外，由于聚乙烯基活性单体含有亲水性基团，使修饰涂层后的生物基材具有稳定的水性润滑性能。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制得的表面修饰有亲水润滑涂层的生物材料。在本发明中，所述亲水润滑涂层的厚度优选为5～50nm。本发明提供的表面修饰有亲水润滑涂层的生物材料中涂层与生物材料结合牢固，使经修饰后的生物材料具有稳定的水润滑性能。
下面结合实施例对本发明提供的表面修饰有亲水润滑涂层的生物材料及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
PVC导尿管表面修饰亲水涂层：
(1)称取100mg盐酸多巴胺和500mg甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱(MPC)溶解到100mL的Tris缓冲溶液(10mM，pH＝8.5)中，快速搅拌直到固体完全溶解，得到前驱体溶液；
(2)将医用PVC导尿管浸入到上述前驱体溶液中，室温反应10h后取出，用乙醇和二次去离子水冲洗，烘箱干燥，即得到表面修饰有聚盐酸多巴胺-聚甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱(PDA-PMPC)涂层的PVC导尿管。
本实施例得到的修饰了PDA-PMPC涂层的PVC导尿管的照片如图1所示。
涂层理化性能表征：
(1)涂层厚度表征：经椭偏仪和原子力显微镜测量，PDA-PMPC涂层厚度为30nm。
(2)浸润性表征：经DAS100接触角测量仪表征，未修饰的PVC导尿管表面比较疏水，水滴接触角为40°，修饰了PDA-PMPC涂层后接触角降到10°以下，呈现出超亲水状态。
涂层水润滑性能表征：
分别在空白PVC导尿管和修饰了PDA-PMPC涂层的PVC导尿管内腔插入与其直径相当不绣钢棒，而后将其固定于CSM型号的摩擦机样品台上，以半径6mm的硅胶球为摩擦副，去离子水为润滑剂，施加1 N的载荷进行摩擦学性能测试；得到空白PVC导尿管和修饰了PDA-PMPC涂层的PVC导尿管的摩擦系数测试曲线，结果如图2所示。从图2可以看出：修饰了PDA-PMPC涂层的PVC导尿管表面减摩和抗磨性能均较好，300次往复循环测试过程中摩擦系数始终很稳定，大约在0.03～0.05之间；说明空白PVC导尿管水润滑性能较差，修饰了PDA-PMPC涂层后PVC导尿管水润滑性能明显改善；也间接说明了PVC导尿管与PDA-PMPC涂层之间结合牢固。
实施例2
PDMS片材表面修饰亲水涂层：
(1)称取100mg盐酸多巴胺和1000mg甲基丙烯酸3-磺酸丙酯钾盐(SPMA)溶解到100mL的Tris缓冲溶液(10mM，pH＝8.5)中，快速搅拌直到固体完全溶解，得到前驱体溶液；
(2)将聚二甲氧基硅氧烷(PDMS)片材浸入到上述前驱体溶液中，室温反应20h后取出，用乙醇和二次去离子水冲洗，烘箱干燥，即在PDMS片材表面成功修饰聚盐酸多巴胺-聚甲基丙烯酸3-磺酸丙酯钾盐(PDA-PSPMA)涂层。
涂层理化性能表征：
(1)涂层厚度表征：经椭偏仪和原子力显微镜测量，PDA-PSPMA涂层厚度为35nm。
(2)浸润性表征：经DAS100接触角测量仪表征，未修饰的PDMS片材表面比较疏水，水滴接触角为90°，修饰了PDA-PSPMA涂层后接触角降到10°以下，呈现出超亲水状态。
涂层水润滑性能表征：
采用实施例1中的方法和条件测试PDA-PSPMA涂层的水润滑性能。测量结果表明：空白PDMS片材表面摩擦系数在1.2～1.5之间，修饰PDA-PSPMA涂层后表面摩擦系数在0.01～0.03之间。
实施例3
PTFE片材表面修饰亲水涂层：
(1)称取50mg盐酸多巴胺和1000mg甲基丙烯酰氧乙基二甲基氯化铵(METAC)溶解到100mL的Tris缓冲溶液(10mM，pH＝8.5)中，快速搅拌直到固体完全溶解，得到前驱体溶液；
(2)将PTFE片材浸入到上述前驱体溶液中，室温反应10h后取出，用乙醇和二次去离子水冲洗，烘箱干燥，即在PTFE片材表面成功修饰聚盐酸多巴胺-聚甲基丙烯酰氧乙基二甲基氯化铵(PDA-PMETAC)涂层。
涂层理化性能表征：
(1)涂层厚度表征：经椭偏仪和原子力显微镜测量，PDA-PMETAC涂层厚度为25nm。
(2)浸润性表征：经DAS100接触角测量仪表征，未修饰的PTFE片材表面比较疏水，水滴接触角为110°，修饰了PDA-PMETAC涂层后接触角降到15°以下，呈现出亲水状态。
涂层水润滑性能表征：
采用实施例1中的方法和条件测试PDA-PMETAC涂层的水润滑性能。测量结果表明：空白PTFE表面摩擦系数在0.5～0.8之间，修饰PDA-PMETAC涂层后表面摩擦系数在0.03～0.05之间。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种表面修饰有亲水润滑涂层的生物材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将乙烯基活性单体、盐酸多巴胺和tris缓冲液混合，形成前驱体溶液；
将待修饰生物材料浸入到所述前驱体溶液中进行聚合反应，得到表面修饰有亲水润滑涂层的生物材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述乙烯基活性单体包括丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺、甲基丙烯酸羟乙酯、乙二醇甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸聚氧乙烯酯、丙烯酸、甲基丙烯酸钠盐、甲基丙烯酰氧乙基二甲基氯化铵、甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯、甲基丙烯酸环氧丙基磺酸钠、甲基丙烯酸3-磺酸丙酯钾盐、甲基丙烯酸海藻酸酯、甲基丙烯酸壳聚糖酯、甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱、磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯、羧基甜菜碱甲甲基丙烯酸酯、N-乙烯基吡咯烷酮和乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述盐酸多巴胺和乙烯基活性单体的质量比为1.0：0.5～50。
4.根据权利要求书1或3所述的制备方法，其特征在于，所述盐酸多巴胺在前躯体溶液中的质量浓度为0.2～3.0mg/mL。
5.根据权利要求书1所述的制备方法，其特征在于，所述聚合反应的温度为常温，所述聚合反应的时间为2～24h。
6.权利要求1～5任一项所述制备方法制备得到的表面修饰有亲水润滑涂层的生物材料，其特征在于，所述亲水润滑涂层的厚度为5～50nm。
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