CN110408189A - 一种提高医用聚氨酯材料血液相容性和抗菌性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高医用聚氨酯材料血液相容性和抗菌性的方法，其基于儿茶酚胺类化合物在材料表面原位还原纳米银颗粒，作为二次反应平台覆盖纳米颗粒但能够输送银离子的聚乙烯吡咯烷酮涂层，制备的复合膜不但可以防止纳米银颗粒进入血液中，同时可以控制银离子的释放，达到长期抗菌；同时聚乙烯吡咯烷酮有效提高聚氨酯血液相容性和润滑性能，减少对组织的损伤。本发明方法的工艺简单，反应条件温和、易于控制，易于进一步工业放大、进行产业化生产。

Description

一种提高医用聚氨酯材料血液相容性和抗菌性的方法
技术领域
本发明涉及医用聚合物材料技术，具体涉及一种基于茶多酚衍生物提高医用聚氨酯材料血液相容性和抗菌性的方法。
背景技术
生物医用材料包括人造血管、心脏瓣膜、血管支架和导管等应具有良好的生物相容性和抗菌性能。由于聚氨酯(PU)具有优异的机械性能、物理性能以及生物相容性，而被广泛应用于血液接触材料的领域中。然而，当聚氨酯材料植入人体后，材料表面具有极强的疏水性和生物黏附性，容易吸附蛋白质、粘附和活化血小板以及粘附细菌，导致聚氨酯植入物植入失败。血栓形成和细菌感染是阻碍聚氨酯植入物临床使用的两大主要并发症。因此，需要对聚氨酯表面进行改性，而且聚氨酯的表面改性是仅改性处理聚氨酯与生物体接触的表面，提高其抗菌性能和生物相容性，且基本上不影响聚氨酯自身所具有的特性，受到了研究者们广泛的关注。
其中，利用贻贝激发改性技术仿生修饰材料表面操作简单，条件温和。且多巴胺为代表的茶多酚衍生物具有良好的生物相容性，其含有大量的酚羟基和氨基，使其几乎可以粘附在任何材料表面，同时可以螯和金属离子，并具有较弱的还原能力。纳米银(AgNPs)是一种应用广泛的抗菌剂，其主要原因是因为它具有广谱的功效，已经被证实可以有效地杀死对革兰氏阳性和阴性菌，并且其在动物实验和临床方面取得了比较肯定的抗菌作用。同时，纳米银具有粒径小、比表面积大等特点，因此它很容易被氧化，可以看为Ag+的蓄水库，在生物体内能够持续不断的释放Ag+。因此，利用茶多酚衍生物的黏附性和还原性在聚氨酯表面螯和银离子，并原位还原为纳米银颗粒，可以使聚氨酯表现具有很强的杀菌作用。但是聚氨酯表面修饰的纳米银颗粒易于被体液洗脱，且局部释放的浓度较高的银离子易对人体产生副作用。因此，在其表面进一步涂覆一层聚乙烯吡咯烷酮水凝胶，可以防止纳米银与血液直接接触，同时可以有效的控制银离子的释放，达到长效抗菌作用。除此之外，聚乙烯吡咯烷酮薄膜具有很强的亲水性，可以形成水凝胶层，阻止蛋白吸附、血小板粘附，可以有效地减少血栓形成。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种提高医用聚氨酯材料血液相容性和抗菌性的方法。
技术方案：本发明所述的一种提高医用聚氨酯材料血液相容性和抗菌性的方法，包括以下步骤：
(1)取医用聚氨酯，加入到儿茶酚衍生物和Tris-HCl混合溶液中，进行氧化反应，反应结束后取出清洗；
(2)将步骤(1)清洗后的表面活化的医用聚氨酯加入硝酸银溶液中，进行原位的银离子还原反应，反应结束后取出清洗；
(3)将步骤(2)所得材料加入乙烯吡咯烷酮水溶液中，进行表面嫁接反应，反应后清洗，干燥，备用。
步骤(1)中，所述医用聚氨酯选自医用聚酯系聚氨酯、医用聚醚系聚氨酯、医用芳香族聚氨酯或医用脂肪族聚氨酯。所述医用聚氨酯材料需要事先清洗并干燥。
步骤(1)中，所述儿茶酚衍生物选自多巴胺、去甲基肾上腺素、没食子酸中的一种或多种。所述儿茶酚衍生物具有表面粘附和还原银离子对的能力。
步骤(1)中，所述儿茶酚衍生物和Tris-HCl混合溶液的浓度为0.2-20mg/mL，Tris-HCl溶液的PH为7～11，优选7～9。其中，所述儿茶酚衍生物和Tris-HCl混合溶液的浓度即是儿茶酚衍生物和Tris-HCl混合溶液的质量体积比。
步骤(1)中，所述氧化反应氧化剂选自空气、氧气、双氧水、臭氧中的一种或多种。反应条件为：在25～40℃水浴加热反应2-24h，优选的2～8h。
步骤(2)中，所述硝酸银溶液浓度0.0001～0.1mol/L，优选0.0004-0.004mol/L。
步骤(2)中，所述反应条件为避光，摇床120～150rpm/min，室温，6～24h。
步骤(3)中，所述乙烯吡咯烷酮溶液浓度为0.5～8wt％，优选4～5wt％。
步骤(3)中，所述反应为摇床100～3000rpm/min，室温，6～24h。
步骤(3)反应清洗后放入真空干燥箱30～40℃，干燥时间2～6h。
步骤(1)和(2)的中，所述的清洗为，采用去离子水冲洗0.5-2min。步骤(3)中所述清洗为，采用去离子水超声清洗2-5min，去离子水冲洗。
步骤(3)制备的成品表面为聚乙烯吡咯烷酮完全覆盖，具有抗菌和良好的生物相容性。
该方法利用聚乙烯吡咯烷酮水凝胶能够传输银离子，而且具有优异的生物相容性，并且能够通过儿茶酚衍生物嫁接等特点。此制备方法获得的纳米银颗粒被包裹在儿茶酚衍生物薄膜中，并且通过聚乙烯吡咯烷酮水凝胶表面完全覆盖，避免了传统方法纳米银颗粒可能存在的安全性问题。改性方法过程简单、条件温和易于控制，可广泛使用在医用高分子材料和医疗器械表面。
有益效果：相比较于现有技术，本申请具有以下区别技术特征：
(1)本发明方法基于儿茶酚衍生物在材料表面改性，改性的医用聚氨酯具有长效抗菌性能，减少对细胞的毒性，并且有高亲水性，能够提高血液相容性，减少血栓形成，改性材料同时具有抗菌和抗血栓作用。
(2)本发明方法利用在材料表面原位还原纳米银颗粒，作为二次反应平台覆盖纳米颗粒但能够输送银离子的聚乙烯吡咯烷酮涂层。该方法制备的复合膜不但可以防止纳米银颗粒进入血液中，同时可以控制银离子的释放，达到长期抗菌；聚乙烯吡咯烷酮有效提高聚氨酯血液相容性和润滑性能，减少对组织的损伤。
(3)聚氨酯本身具有良好的生物相容性，是一种力学性能优越的医用高分子材料。表面改性不会改变聚氨酯本身优异的力学性能。
(4)本发明方法采用贻贝激发改性法和浸涂法改性处理医用聚氨酯，制备过程简单，对设备要求不高，为工业化大生产提供了可行性依据。
附图说明
图1是材料表面与金黄色葡萄球菌和大肠杆菌共培养24h后的抑菌圈；
图2是血小板在材料表面粘附SEM图；
图3是L929细胞在聚氨酯改性前后的材料表面生长情况；
图4是PVP改性前后医用聚氨酯表面接触角检测结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做更进一步地解释。
一种提高医用聚氨酯材料血液相容性和抗菌性的方法，包括如下步骤：
步骤一、将清洗干燥后的医用聚氨酯加到浓度为0.2-20mg/mL的多巴胺和Tris-HCl(PH7～9)混合溶液中，通氧处理，25～40℃，水浴加热反应2-24h；反应结束后，取出用蒸馏水清洗。医用聚氨酯材料为医用聚酯系聚氨酯、医用聚醚系聚氨酯、医用芳香族聚氨酯或医用脂肪族聚氨酯。
步骤二、将步骤一得到的多巴胺处理的医用聚氨酯加入浓度为0.0001～0.1mol/L硝酸银溶液中，反应过程中，室温避光，摇床120～150rpm/min，6～24h；之后，清洗。
步骤三、将步骤二所得材料加入浓度为0.5-8wt％的聚乙烯吡咯烷酮溶液中，反应过程中，室温，摇床120～150rpm/min，6～24h；之后，清洗，放入真空干燥箱30～40℃，干燥时间2～6h。
实施例1
将清洗干燥后的医用聚氨酯加到浓度为2mg/mL的去甲基肾上腺素和Tris-HCl(PH8.5)混合溶液中，通氧处理，37℃，水浴加热反应2-5h；反应结束后，取出用蒸馏水清洗。将步骤一得到的去甲基肾上腺素处理的医用聚氨酯加入浓度为0.03mol/L硝酸银溶液中，反应过程中，室温避光，摇床150rpm/min，24h；之后，清洗。迅速将步骤二所得材料加入浓度为8wt％的聚乙烯吡咯烷酮溶液中，室温反应12h，清洗干燥。获得的样品具有优异的抗菌作用。
对比例1
该对比例在实施例1的基础上省略步骤三的聚乙烯吡咯烷酮PVP改性操作。
对实施例1和对比例1的成品表面接触角检测，分别取三组实施例1和对比例1的成品采用接触角测试仪，对样品表面均匀分布的6点个进行水接触角测试，并且统计分析结果。结果如图4所示，由图可见，实施例1采用PVP改性后，表面接触角明显下降到20度以下，并且均一性良好，表明表面PVP均匀覆盖在样品表面。
实施例2
将清洗干燥后的医用聚氨酯加到浓度为0.2mg/mL的多巴胺和Tris-HCl(PH7.0)混合溶液中，臭氧处理，37℃，反应2h；反应结束后，取出用蒸馏水清洗。将步骤一得到的多巴处理的医用聚氨酯加入浓度为0.02mol/L硝酸银溶液中，反应过程中，室温避光，摇床150rpm/min，30h；将步骤二得到的多巴胺处理的医用聚氨酯加入浓度为0.5wt％的聚乙烯吡咯烷酮溶液中，反应过程中，室温，摇床150rpm/min，24h；之后，清洗，放入真空干燥箱30～40℃，干燥时间2～6h。
实施例3
将清洗干燥后的医用聚氨酯加到浓度为2mg/mL的没食子酸和Tris-HCl(PH10.5)混合溶液中，通氧处理，37℃，水浴加热反应2-5h；反应结束后，取出用蒸馏水清洗。将步骤一得到的没食子酸处理的医用聚氨酯加入浓度为0.02mol/L硝酸银溶液中，反应过程中，室温避光，摇床150rpm/min，24h；之后，清洗。将步骤二所得材料加入浓度为4.5wt％的聚乙烯吡咯烷酮溶液中，反应过程中，室温，摇床150rpm/min，24h；之后，清洗，放入真空干燥箱30～40℃，干燥时间2～6h。
将制备好的改性医用聚氨酯与金黄色葡萄球菌和大肠杆菌共培养24h，用抑菌圈实验和细菌SEM图验证材料的抗菌作用，抑菌圈实验结果如图1所示，其中，编号1是纯聚氨酯，编号2是多巴胺改性聚氨酯，编号3是表面沉积纳米银颗粒的聚氨酯，编号4是聚乙烯吡咯烷酮表面改性的含纳米银聚氨酯材料。由此可见，纳米银和聚乙烯吡咯烷酮涂层共同改性的医用聚氨酯具有优良抗菌作用。
实施例4
将清洗干燥后的医用聚氨酯加到浓度为10mg/mL的没食子酸和Tris-HCl(PH8.0)混合溶液中，在空气中震荡，37℃，水浴加热反应12hh；反应结束后，取出用蒸馏水清洗。将步骤一得到的没食子酸处理的医用聚氨酯加入浓度为0.003mol/L硝酸银溶液中，反应过程中，室温避光，摇床150rpm/min，24h；之后，清洗。将步骤二所得材料加入浓度为1wt％的聚乙烯吡咯烷酮溶液中，反应过程中，室温，摇床150rpm/min，24h；之后，清洗，放入真空干燥箱30～40℃，干燥时间2～6h。
将制备好的改性医用聚氨酯与血小板共培养2h，通过SEM观察材料的抗血小板粘附作用，结果如图2所示，图中，左：聚氨酯右：纳米银和聚乙烯吡咯烷酮涂层共同改性的医用聚氨酯，由图示可见，纳米银和聚乙烯吡咯烷酮涂层共同改性的医用聚氨酯具有较好的抗血小板粘附作用，表明可以抑制血栓形成。
实施例5
将清洗干燥后的医用聚氨酯加到浓度为2mg/mL的多巴胺和Tris-HCl(PH8.5)混合溶液中，通氧处理，37℃，水浴加热反应2-5h；反应结束后，取出用蒸馏水清洗。将步骤一得到的多巴胺处理的医用聚氨酯加入浓度为0.0002mol/L硝酸银溶液中，反应过程中，室温避光，摇床150rpm/min，24h；之后，清洗。将步骤二所得材料加入浓度为4.5wt％的聚乙烯吡咯烷酮溶液中，反应过程中，室温，摇床150rpm/min，24h；之后，清洗，放入真空干燥箱30～40℃，干燥时间2～6h。
将制备好的改性医用聚氨酯与L929细胞共培养24h。L929细胞在改性前后的材料表面生长情况如图3所示，其中左图为改性前和右图为改性后，表明纳米银和聚乙烯吡咯烷酮涂层共同改性的医用聚氨酯具有良好的生物相容性。
实施例6
将清洗干燥后的医用聚氨酯加到浓度为20mg/mL的多巴胺和Tris-HCl(PH＝7)混合溶液中，加双氧水至浓度为0.03M，震荡，37℃，反应12h；反应结束后，取出用蒸馏水清洗。将步骤一得到的多巴胺处理的医用聚氨酯加入浓度为0.1mol/L硝酸银溶液中，反应过程中，室温避光，摇床150rpm/min，24h；之后，清洗。将步骤二所得材料加入浓度为0.8wt％的聚乙烯吡咯烷酮溶液中，反应过程中，室温，摇床150rpm/min，24h；之后，超声清洗，放入真空干燥箱30～40℃，干燥时间2～6h，备用。

Claims (10)

1.一种提高医用聚氨酯材料血液相容性和抗菌性的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)取医用聚氨酯，加入到儿茶酚衍生物和Tris-HCl混合溶液中，进行氧化反应，反应结束后取出清洗；
(2)将步骤(1)清洗后的表面活化的医用聚氨酯加入硝酸银溶液中，进行原位的银离子还原反应，反应结束后取出清洗；
(3)将步骤(2)所得材料加入乙烯吡咯烷酮水溶液中，进行表面嫁接反应，反应后清洗，干燥，备用。
2.根据权利要求1所述的提高医用聚氨酯材料血液相容性和抗菌性的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述医用聚氨酯选自医用聚酯系聚氨酯、医用聚醚系聚氨酯、医用芳香族聚氨酯或医用脂肪族聚氨酯。
3.根据权利要求1所述的提高医用聚氨酯材料血液相容性和抗菌性的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述儿茶酚衍生物选自多巴胺、去甲基肾上腺素、没食子酸中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的提高医用聚氨酯材料血液相容性和抗菌性的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述儿茶酚衍生物和Tris-HCl混合溶液的浓度为0.2-20mg/mL。
5.根据权利要求1所述的提高医用聚氨酯材料血液相容性和抗菌性的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述Tris-HCl溶液的PH为7～11。
6.根据权利要求1所述的提高医用聚氨酯材料血液相容性和抗菌性的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述氧化反应氧化剂选自空气、氧气、双氧水、臭氧中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的提高医用聚氨酯材料血液相容性和抗菌性的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述硝酸银溶液浓度为0.0001～0.1mol/L。
8.根据权利要求7所述的提高医用聚氨酯材料血液相容性和抗菌性的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述硝酸银溶液浓度为0.0004-0.004mol/L。
9.根据权利要求1所述的提高医用聚氨酯材料血液相容性和抗菌性的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述乙烯吡咯烷酮溶液浓度为0.5～8wt％。
10.根据权利要求9所述的提高医用聚氨酯材料血液相容性和抗菌性的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述乙烯吡咯烷酮溶液浓度为4～5wt％。
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