CN110064075B - 一种基于纳米银/d-半胱氨酸的自组装抗菌涂层及制备方法 - Google Patents

一种基于纳米银/d-半胱氨酸的自组装抗菌涂层及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在医用金属表面制备纳米银/D‑半胱氨酸抗菌涂层的方法。对医用金属依次使用丙酮、乙醇、去离子水进行超声处理；配置多巴胺溶液，将医用金属置于多巴胺溶液浸泡，取出后超声去除表面非稳定附着的多巴胺颗粒，然后再置于硝酸银溶液中浸泡，即在医用金属表面形成聚多巴胺‑纳米银涂层；随后将负载纳米银颗粒的医用金属置于D‑半胱氨酸溶液反应，即可获得。上述方法制备的复合纳米结构工艺简单、易行，具有高效光谱的抗菌及抗生物膜粘附的功效，同时具有良好的生物相容性，这对于开发新型体内植入材料具有重要的应用价值。

Description

一种基于纳米银/D-半胱氨酸的自组装抗菌涂层及制备方法
技术领域
本发明涉及医用抗菌涂层和纳米材料技术领域，具体涉及一种基于纳米银/D-半胱氨酸的自组装抗菌涂层及制备方法。
背景技术
医疗手术器械，可植入器械如人造钛合金骨骼、生物医用不锈钢等在手术或者植入后，经常发生感染，造成植入体的感染甚至失效，同时感染的初期征兆的发现较为困难，发现后往往要重新进行手术，这会给病人造成很大的生理和心理创伤。
银纳米颗粒由于其独特的性能在抗菌材料、医疗器械等领域的研究时有报道。虽然纳米银的抗菌效果显著，但目前其作用机理仍不能明确，且游离态的银容易被细胞吞噬导致中毒，因而在实际应用中要注意其生物相容性的问题。
多巴胺是一种生物神经递质，在弱碱性水溶液条件下，它能在溶解氧的作用下发生氧化-交联反应，形成强力附着于固体材料表面的聚多巴胺复合薄层。基于多巴胺的这一特性，可以在溶液中加入含有银离子的物质，在多巴胺的弱还原性作用下将其还原成纳米银颗粒，沉积在基体材料表面。纳米银可以会缓慢释放出银粒子，起到杀菌的作用。D-氨基酸与L-氨基酸互为手性分子，在细菌体内，主要参与细胞壁的合成。D-氨基酸在抑制生物膜形成或分散成熟的生物膜中具有很大的潜力。通过银与D-半胱氨酸上巯基的特异性结合，在银颗粒上接枝D-半胱氨酸。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于纳米银/D-半胱氨酸的自组装抗菌涂层及制备方法，该方法制备流程简单，基体材料和试验参数可以灵活选择调整。该种抗菌涂层主要是基于纳米银颗粒和D-半胱氨酸的特异性反应制备。
一种基于纳米银/D-半胱氨酸的自组装抗菌涂层，其特征在于，在基底材料上涂覆了一层具有杀菌效果的纳米银涂层，纳米银涂层表面上接枝了一层具有驱散生物膜作用的D-半胱氨酸。
进一步地，所用基底材料为表面附着聚多巴胺的生物医用不锈钢、钛合金、镁合金。
进一步地，所得纳米银为均匀颗粒状，颗粒尺寸为44.7±29.4nm。
进一步地，D-半胱氨酸通过银与D-半胱氨酸上巯基的特异性结合接枝在涂层表面。
如上所述的基于纳米银/D-半胱氨酸的自组装抗菌涂层的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)通过自组装方法，在生物医用不锈钢、钛合金、镁合金上沉积聚多巴胺，作为基底；
(2)通过自组装方法，在基底上沉积纳米银颗粒；
(3)通过银与D-半胱氨酸上巯基的特异性结合，在银颗粒上接枝D-半胱氨酸。
进一步地，步骤(1)中利用自组装方法沉积聚多巴胺的方法为：打磨过的生物医用不锈钢、钛合金、镁合金试样置于盐酸多巴胺的Tris缓冲溶液震荡，盐酸多巴胺的浓度为2mg/ml，pH为8.5，震荡速度为25-50rpm，浸泡温度为25℃，浸泡时间为16h-48h，超声时间为10-20s，取出试样并超声去除表面非稳定附着的多巴胺颗粒，作为基底；
进一步地，步骤(2)中利用自组装方法沉积纳米银颗粒的方法为：基底试样置于硝酸银溶液，硝酸银的浓度为1-5mg/ml，浸泡时间为1-10h，浸泡温度为25℃。
进一步地，步骤(3)中接枝D-半胱氨酸的方法为：负载纳米银改性的基底试样置于D-半胱氨酸溶液，D-半胱氨酸的浓度为10-3-10-2mol/L，浸泡温度为25℃，浸泡时间为1-5h，取出试样并用超纯水清洗试样表面，得到纳米银/D-半胱氨酸复合涂层。
有益效果：与现有技术相比，本发明具备如下的有益效果：
利用了多巴胺优异的粘附性能和弱碱性环境下具有还原性的特点，涂层粘附性高，稳定性强，适用于多种表面性质和表面形貌复杂的医疗产品和器械，作为改性的基底材料；纳米银粒子与D-半胱氨酸协同发挥抗菌和抗生物膜作用，效果更为优异；制备流程简单，对制备环境要求不高，易于制备；重金属离子主要附着于基体材料表面，不会大量释放到周围环境中去，且D-氨基酸对人体无毒，因而生物相容性较好，对细胞和生物体的副作用较小，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1a为实例1中制备的基于纳米银/D-半胱氨酸的自组装抗菌涂层的扫描电镜照片；图1b为实施例1中制备的新型自组装抗菌涂层的颗粒尺寸分布。
图2为实例1制备的基于纳米银/D-半胱氨酸的自组装抗菌涂层的生物相容性效果。
图3a为实例2中用共聚焦显微镜表征的基底的细菌分布情况，图3b为实例2中用共聚焦显微镜表征制备的基于纳米银/D-半胱氨酸的自组装抗菌涂层的抗菌效果图。
图4a为实例3中用平板计数法表征的基底附着的细菌数量，图4b为实例3中用平板计数法表征制备的基于纳米银/D-半胱氨酸的自组装抗菌涂层上附着的细菌数量。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。
本发明公开了一种在医用金属表面制备纳米银/D-半胱氨酸抗菌涂层的方法。对医用金属依次使用丙酮、乙醇、去离子水进行超声处理；配置多巴胺溶液，将医用金属置于多巴胺溶液浸泡，取出后超声去除表面非稳定附着的多巴胺颗粒，然后再置于硝酸银溶液中浸泡，即在医用金属表面形成聚多巴胺-纳米银涂层；随后将负载纳米银颗粒的医用金属置于D-半胱氨酸溶液反应，即可获得。上述方法制备的复合纳米结构工艺简单、易行，具有高效光谱的抗菌及抗生物膜粘附的功效，同时具有良好的生物相容性，这对于开发新型体内植入材料具有重要的应用价值。
下面结合附图1～4和实施例对本发明予以具体说明。下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
实施例1：
1.将尺寸为10mm×10mm×3mm的316L不锈钢用砂纸打磨至1500#，再用丙酮、酒精顺序超声清洗并晾干。
2.使用Tris溶液配制2mg/ml的多巴胺溶液，pH滴定为8.5。将316L不锈钢放入多巴胺溶液中，溶液没过试样顶端20mm左右。将溶液放入摇床中，速度设为42rpm，浸泡24h。
3.将取出的试样超声，去除表面非稳定附着的多巴胺颗粒，然后将样品放入5mg/L的硝酸银溶液中，用锡纸遮光，浸泡5h。
4.将取出的试样用去离子水漂洗，放入10-3mg/ml的D-半胱氨酸溶液中，浸泡5h，取出后用去离子水漂洗，自然晾干。
图1a为实施例1中基于纳米银/D-半胱氨酸的新型自组装抗菌涂层的扫描电镜照片；图1b为实施例1中制备的新型自组装抗菌涂层的颗粒尺寸分布。图1a可以清楚地看到所制备的复合纳米颗粒分布均匀，图1b可以说明所制备的抗菌涂层的颗粒粒径尺寸为44.7±29.4nm，纳米尺度的粒子有助于更好地实现杀菌的功效。图2为实例1制备的基于纳米银/D-半胱氨酸的新型自组装抗菌涂层的生物相容性效果。图2可以说明基于纳米银/D-半胱氨酸的新型自组装抗菌涂层的生物相容性优于单独负载纳米银的涂层，从而在不减弱抗菌效果的同时，减弱了对人体细胞的危害，更好地实现医用器械或医用植入材料的使用效果。
实施例2：
1.将尺寸为10mm×10mm×3mm的基体材料钛合金用砂纸打磨至1500#，再用丙酮、酒精顺序超声清洗并晾干。
2.使用Tris溶液配制2mg/ml的多巴胺溶液，pH滴定为8.5。将钛合金放入多巴胺溶液中，溶液没过试样顶端20mm左右。将溶液放入摇床中，速度设为40rpm，浸泡20h。
3.将取出的试样超声，去除表面非稳定附着的多巴胺颗粒，然后将样品放入1mg/L的硝酸银溶液中，用锡纸遮光，浸泡5h。
4.将取出的试样用去离子水漂洗，放入5×10-3mg/ml的D-半胱氨酸溶液中，浸泡5h，取出后用去离子水漂洗，自然晾干。
图3为实例2中用共聚焦显微镜表征制备的基于纳米银/D-半胱氨酸的新型自组装抗菌涂层的抗菌效果图。由于D-半胱氨酸驱散生物膜的能力，细菌难以附着在样品表面并形成生物膜，释放的银离子对游离态细菌有着极强的杀菌作用，从而实现纳米银和D-半胱氨酸的协同抗菌，有效抑制微生物膜的形成，有利于减少医用器械或医用植入材料的感染及破坏。
实施例3：
1.将尺寸为10mm×10mm×3mm的基体材料镁合金用砂纸打磨至1500#，再用丙酮、酒精顺序超声清洗并晾干。
2.使用Tris溶液配制2mg/ml的多巴胺溶液，pH滴定为8.5。将钛合金放入多巴胺溶液中，溶液没过试样顶端20mm左右。将溶液放入摇床中，速度设为30rmp，浸泡24h。
3.将取出的试样超声，去除表面非稳定附着的多巴胺颗粒，然后将样品放入3mg/L的硝酸银溶液中，用锡纸遮光，浸泡5h。
4.将取出的试样用去离子水漂洗，放入10-2mg/ml的D-半胱氨酸溶液中，浸泡5h，取出后用去离子水漂洗，自然晾干。
图4为实例3中用平板计数法表征制备的基于纳米银/D-半胱氨酸的自组装抗菌涂层的抗菌效果图。由于D-半胱氨酸驱散生物膜的能力，细菌难以附着在样品表面并形成生物膜，释放的银离子对游离态细菌有着极强的杀菌作用，从而有效地抑制了细菌的附着及微生物膜的形成，有利于减少医用器械或医用植入材料的感染及破坏。

Claims (7)

1.一种基于纳米银/D-半胱氨酸的自组装抗菌涂层，其特征在于，在基底材料上涂覆了一层具有杀菌效果的纳米银涂层，纳米银涂层表面上接枝了一层具有驱散生物膜作用的D-半胱氨酸；其中，
接枝D-半胱氨酸的方法为：负载纳米银改性的基底试样置于D-半胱氨酸溶液，D-半胱氨酸的浓度为10-3-10-2mol/L，浸泡温度为25℃，浸泡时间为1-5h。
2.如权利要求1所述的基于纳米银/D-半胱氨酸的自组装抗菌涂层，其特征在于，所用基底材料为表面附着聚多巴胺的生物医用不锈钢、钛合金、镁合金。
3.如权利要求1所述的基于纳米银/D-半胱氨酸的自组装抗菌涂层，其特征在于，所得纳米银为均匀颗粒状，颗粒尺寸为44.7±29.4 nm。
4.如权利要求1所述的基于纳米银/D-半胱氨酸的自组装抗菌涂层，其特征在于，D-半胱氨酸通过银与D-半胱氨酸上巯基的特异性结合接枝在涂层表面。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的基于纳米银/D-半胱氨酸的自组装抗菌涂层的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：
（1）通过自组装方法，在生物医用不锈钢、钛合金、镁合金上沉积聚多巴胺，作为基底；
（2）通过自组装方法，在基底上沉积纳米银颗粒；
（3）通过银与D-半胱氨酸上巯基的特异性结合，在银颗粒上接枝D-半胱氨酸；其中，步骤（3）中接枝D-半胱氨酸的方法为：负载纳米银改性的基底试样置于D-半胱氨酸溶液，D-半胱氨酸的浓度为10-3-10-2mol/L，浸泡温度为25℃，浸泡时间为1-5h，取出试样并用超纯水清洗试样表面，得到纳米银/D-半胱氨酸复合涂层。
6.如权利要求5所述的基于纳米银/D-半胱氨酸的自组装抗菌涂层的制备方法，其特征在于，步骤（1）中利用自组装方法沉积聚多巴胺的方法为：打磨过的生物医用不锈钢、钛合金、镁合金试样置于盐酸多巴胺的Tris缓冲溶液震荡，盐酸多巴胺的浓度为2mg/ml，pH为8.5，震荡速度为25-50rpm，浸泡温度为25℃，浸泡时间为16h-48h，超声时间为10-20s，取出试样并超声去除表面非稳定附着的多巴胺颗粒，作为基底。
7.如权利要求5所述的基于纳米银/D-半胱氨酸的自组装抗菌涂层的制备方法，其特征在于，步骤（2）中利用自组装方法沉积纳米银颗粒的方法为：基底试样置于硝酸银溶液，硝酸银的浓度为1-5mg/ml，浸泡时间为1-10h，浸泡温度为25℃。
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