CN110655817A - 一种稳定性增强的长效抗菌性多功能涂层及其制备与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种稳定性增强的长效抗菌性多功能涂层及其制备方法和应用。该多功能涂层由聚(羧酸甜菜碱‑多巴胺)共聚物上的酚羟基与无机金属离子，在水中通过配位螯合形成。该涂层由于金属‑酚的强配位螯合粘附能力因此具有优异的稳定性，同时羧酸甜菜碱组分具有优良的杀菌性，阻抗细菌粘附性和阻抗蛋白质粘附性。杀菌的同时阻止细菌及其代谢物在材料表面的堆积。该抗菌涂层的制备方法仅需将聚合物和金属离子加入水溶液中，放入基底材料后常温即可在其表面形成涂层，制备方法简单且不损伤基底材料。本发明特别适用于隐形眼镜，人工晶状体等眼部医疗器械。本发明涂层具备优良的杀菌性、阻抗细菌粘附性、阻抗蛋白质粘附性以及良好的生物相容性。

Description

一种稳定性增强的长效抗菌性多功能涂层及其制备与应用
技术领域
本发明属于医疗器械表面涂层领域，具体涉及一种稳定性增强的长效抗菌性多功能涂层及其制备与应用，尤其是将多功能涂层应用于隐形眼镜或人工晶状体上。
背景技术
目前眼部植/介入式医疗器械使用最多的两种是隐形眼镜(contact lens)和人工晶状体(intraocular lens，IOL)。其中隐形眼镜，也叫角膜接触镜，是一种戴在眼球角膜上，用于矫正视力或保护眼睛的镜片。隐形眼镜不仅从外观和方便性给近视、远视、散光等屈光不正患者带来了很大的改善，而且视野宽阔、视物逼真。人工晶状体是一种人工合成的特殊透镜，主要用于白内障术，将人工晶状体植入眼内替代原有的病变的晶状体，使外界物体聚焦成像在视网膜上，恢复患者视力。
由于隐形眼镜在佩戴中被泪液所包裹，而泪液中的蛋白质等泪腺分泌物会因非特异性吸附作用逐渐在隐形眼镜表面沉积和渗透，长时间后会影响镜片的透光度，严重影响隐形眼镜的使用质量。而且隐形眼镜在佩戴、存储和处理过程中经常会接触到细菌、真菌等多种微生物，为微生物在其上附着、生长和增殖提供了温床。一旦眼角膜受到损伤，角膜上皮脱失，细菌或真菌等病源微生物会快速的在创伤处生长和繁殖，则会引起眼部的感染，甚至致盲。
人工晶状体材料的植入使术后存在着细菌感染的导致的眼内炎(Endophthalmitis)、异物性炎症反应、表面炎症细胞吸附等并发症。这些并发症严重影响着术后视力功能。
目前隐形眼镜和人工晶状体改性主要有表面改性和本体改性两种方法。表面改性即对成品进行后期处理，通过在表面制备涂层来达到效果，该方法经济有效，但是表面改性存在对原有成品损伤较大和涂层稳定性不佳等问题。本体改性即在制造过程中加入功能性单体或聚合物来达到效果，该方法稳定性高，效果良好，但是成本较高且加入后对成品本身性质如折光率等有一定的影响。
因此针对以上共性问题研制具有良好的稳定性，抗菌性、抗细菌粘附性、抗蛋白质粘附性和生物相容性，且对成品损伤较小的多功能性涂层隐形眼镜和人工晶状体具有非常重要的临床意义。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述技术问题，而提供一种稳定性增强的长效抗菌性多功能涂层及其制备与应用，以克服上述背景技术中存在的问题。本发明提供的多功能涂层可用于隐形眼镜和人工晶状体，其稳定性得到了加强，同时其具备优良的抗菌性、抗细菌粘附性、抗蛋白质粘附性和生物相容性，具有很好的医学应用前景。
本发明的目的之一是提供一种稳定性增强的长效抗菌性多功能涂层的制备方法，其采用的技术方案如下：其是由金属离子与两性离子聚合物螯合形成的涂层，所述两性离子聚合物为聚(羧酸甜菜碱丙烯酸乙酯-co-甲基丙烯酸多巴胺酯)共聚物PCBDA，其化学结构式如下：
Figure BDA0002237697440000031
其中x＝50～200，y＝25～100，x:y＝1:0.1～1。
进一步的是，所述PCBDA的制备方法如下：
(1)将一定量的羧酸甜菜碱丙烯酸乙酯CBMA和甲基丙烯酸多巴胺酯DOPAMA溶解于反应溶剂中，再加入单体总质量0.5％-1.5％的引发剂，于70℃条件下反应24h；
(2)反应结束后，反应所得物在无水乙醚中沉析2次，收集沉析物，真空干燥，得到棕色固体即为聚(羧酸甜菜碱丙烯酸乙酯-co-甲基丙烯酸多巴胺酯)共聚物，记为PCBDA。
进一步的是，所述CBMA与DOPAMA的摩尔比为1:0.1～1。
进一步的是，所述反应溶剂为N,N-二甲基甲酰胺，所述引发剂为偶氮二异丁腈。
进一步的是，步骤(1)中所述反应是在氩气保护下经过三次“冷冻-抽气-融化”循环后再进行反应。
进一步的是，所述真空干燥的温度为50℃，真空干燥时间为24h。
进一步的是，所述多功能涂层是由金属离子与PCBDA共聚物上的邻苯二酚基团配位螯合而得；所述金属离子包括Cu2+，Zn2+，Co2+或Fe3+，所述金属离子与PCBDA共聚物上的邻苯二酚基团的摩尔比为1:0.5～2。
本发明提供的抗菌涂层制备方法仅需将聚合物和金属离子加入水溶液中，然后放入基底材料后常温即可在其表面形成涂层。制备方法简单且不损伤基底材料。
本发明的目的之二是提供由上述方法制备得到的稳定性增强的金属-酚聚合物多功能涂层。
本发明的目的之三是提供上述稳定性增强的金属-酚聚合物多功能涂层的应用，其是将该多功能涂层应用于隐形眼镜和人工晶状体上。
针对于上述应用，所述应用方法为：
(1)先将两性离子溶解于一定体积的去离子水中，然后用氢氧化钠水溶液将pH调至7.5-8.5；
(2)加入一定的无机金属离子，加入隐形眼镜或人工晶状体，超声5-10min，于室温下避光放置24h，即得。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明的涂层具有普适性，可运用于多种基底，不仅仅适用于眼部医疗器械，也可适用于其他如心血管支架，导尿管等植入体医疗器械。
2.本发明制备方法简单经济有效，稳定性高，不损伤材料表面即可进行改性。
3.本发明的涂层兼具多种功能性，优良的杀菌性、阻抗细菌粘附性、阻抗蛋白质粘附性、良好的生物相容性使其成为一种理想的长效抗菌涂层，该涂层在医疗器械上具有很好的应用价值潜力。
附图说明
图1是聚合物PCBDA的核磁图。
图2是CL，CuⅡ-PCBDA-CL和ZnⅡ-PCBDA-CL的SEM图。
图3是IOL，CuⅡ-PCBDA-IOL和ZnⅡ-PCBDA-IOL的SEM图。
图4是CL和CuⅡ-PCBDA-CL的杀菌率。
图5是IOL和CuⅡ-PCBDA-IOL的杀菌率。
图6是CL和CuⅡ-PCBDA-CL的浸泡七天后的杀菌率。
图7是IOL和CuⅡ-PCBDA-CL的浸泡七天后的杀菌率。
图8是CuⅡ-PCBDA-CL的抗细菌/真菌粘附性能力。
图9是CuⅡ-PCBDA-IOL的抗细菌/真菌粘附性能力。
图10是CL和CuⅡ-PCBDA-CL的阻抗蛋白质粘附能力。
图11是IOL和CuⅡ-PCBDA-IOL的阻抗蛋白质粘附能力。
图12是CL和CuⅡ-PCBDA-CL的细胞毒性情况。
图13是IOL和CuⅡ-PCBDA-IOL的细胞毒性情况。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体描述，有必要指出的是，以下实施例仅仅用于对本发明进行解释和说明，并不用于限定本发明。本领域技术人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
本发明中，Cu2+与两性离子聚合物在隐形眼镜表面形成的涂层记为CuⅡ-PCBDA-CL。Cu2+与聚合物在人工晶状体表面形成的涂层记为CuⅡ-PCBDA-IOL。其余的金属离子以此类推。其他金性离子的制备方法与实施例中Cu2+的一致，具有大体相似的效果。
实施例1
PCBDA的合成：将2g的酸甜菜碱丙烯酸乙酯CBMA和1g甲基丙烯酸多巴胺酯DOPAMA溶解于10mL的N,N-二甲基甲酰胺中，再加入单体总质量40mg的偶氮二异丁腈，在氩气保护下经过三次冷冻-抽气-融化循环后，70℃条件下反应24h。反应结束后，开在无水乙醚中沉析2次，收集沉析物，真空干燥箱50℃真空干燥24h，即得PCBDA。该聚合物PCBDA的核磁如图1，说明该聚合物成功制备。
实施例2
隐形眼镜涂层制备：将实施例1中的PCBDA配置成两组5mg/mL的水溶液并调整pH至8.5，加入隐形眼镜然后，一组加入与铜离子，另一组锌离子，超声5min后，避光静止24h后取出超声5min。然后利用扫描电镜和光电子能谱对观察未经任何处理的隐形眼镜，和处理后的隐形眼镜进行表征。隐形眼镜截面扫描电镜结果如图2中a，b，c所示，证明铜离子或锌离子与PCBDA的邻苯二酚基团进行配位螯合可以在隐形眼镜表面形成涂层。
实施例3
人工晶状体涂层制备：按照实施例2中的操作，处理人工晶状体。然后利用扫描电镜和光电子能谱对观察未经任何处理的人工晶状体，和处理后的人工晶状体进行表征。人工晶状体截面的扫描电镜如图3中a，b，c所示，证明铜离子或锌离子与PCBDA的邻苯二酚基团进行配位螯合可以在人工晶状体表面形成涂层。
实施例4
抗菌性能测试：取4片实施例2和3中的CuⅡ-PCBDA-CL和CuⅡ-PCBDA-IOL在紫外灯下照射2h，取4片未经任何处理的隐形眼镜和人工晶状体作为空白对照。然后分别加入20μL菌液浓度为107cfu/mL的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、绿农杆菌、白色念珠菌菌液。放置于37℃，湿度为80％的培养箱。2h后取出，加入1mL无菌水对表面细菌进行洗脱。取0h的菌液和2h洗脱洗脱液20μL于无菌培养基平板上，涂布均匀，然后置于恒温培养箱中37℃倒置培养24h。采用活菌计数法进行培养计数，比较0h和2h前后菌落数变化，并计算抑菌率。CuⅡ-PCBDA-CL杀菌率如图4所示，杀菌率均＞99％，证明该涂层具有良好的杀菌性能和广谱抗菌性能。CuⅡ-PCBDA-IOL杀菌率如图5所示，杀菌能力均＞99％，证明聚该涂层具有良好的杀菌性能和广谱抗菌性能。
实施例5
长效抗菌性能测试：取4片实施例2和3中CuⅡ-PCBDA-CL和CuⅡ-PCBDA-IOL放置于50ml无菌水溶液中，放置于37℃，90r/min的水浴振荡器中7天。然后按照实施例4中的抗菌测试进行抗菌性能测试，CuⅡ-PCBDA-CL七天后杀菌率如图6所示，对于革兰氏阴性菌大肠杆菌和绿农杆菌杀菌与仍大于99％，对于革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌和白色念珠菌大于95％。证明该涂层具有良好的稳定性和抗菌持久性。CuⅡ-PCBDA-IOL七天后杀菌率如图7所示，对于革兰氏阴性菌大肠杆菌和绿农杆菌杀菌与仍大于99％，对于革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌和白色念珠菌大于95％。证明该涂层具有良好的稳定性和抗菌持久性。
实施例6
抗细菌粘附性：取8片实施例2和3中CuⅡ-PCBDA-CL和CuⅡ-PCBDA-IOL在紫外灯下照射2h，取8片未经任何处理的隐形眼镜和人工晶状体作为空白对照。然后分别加入20μL菌液浓度为107cfu/mL的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、绿农杆菌、白色念珠菌菌液。放置于37℃，湿度为80％的培养箱。2h后取出，其中空白对照和处理后的材料一半不进行洗脱，另外一半加入1mL无菌水对表面细菌进行洗脱。然后用LIVE/DEAD BacLight BacterialViability kit(L7007)进行染色，利用激光共聚焦显微镜进行观察。CuⅡ-PCBDA-CL的抗细菌/真菌粘附性结果如图8所示，与空白样品对比证明洗脱前后，表面细菌明显减少，证明该涂层具有良好抗细菌/真菌粘附性。CuⅡ-PCBDA-IOL的抗细菌/真菌粘附性结果如图9所示，与空白样品对比证明洗脱前后，表面细菌明显减少，证明该涂层具有良好抗细菌/真菌粘附性。
实施例7
抗蛋白质粘附性：取4片实施例2和3中CuⅡ-PCBDA-CL和CuⅡ-PCBDA-IOL在紫外灯下照射2h，取4片未经任何处理的隐形眼镜和人工晶状体作为空白对照。测试12h和24h的表面蛋白质粘附情况。按照BCA蛋白浓度测定试剂盒(BCAProteinAssay Kit，碧云天)操作方法，使用酶标仪再562nm进行测试。然后计算表面蛋白质的粘附情况。CuⅡ-PCBDA-CL的抗蛋白质粘附情况如图10所示，空白隐形眼镜的表面蛋白质粘附量12h和24h分别为55μg/cm2和65μg/cm2，而涂敷了涂层后的隐形眼镜表面蛋白质粘附量9μg/cm2和13μg/cm2，证明该涂层在隐形眼镜表面具有良好的抗蛋白质粘附性能。CuⅡ-PCBDA-IOL的抗蛋白质粘附情况如图11所示空白人工晶状体IOL表面蛋白质粘附量12h和24h分别35μg/cm2和40μg/cm2，而涂敷了涂层后的隐形眼镜表面蛋白质粘附量5μg/cm2和9μg/cm2证明该涂层在人工晶状体表面具有良好的抗蛋白质粘附性能。
实施例8
细胞毒性：取6片实施例2和3中CuⅡ-PCBDA-CL和CuⅡ-PCBDA-IOL在紫外灯下照射2h，取6片未经任何处理的隐形眼镜和人工晶状体作为空白对照。用人角膜上皮细胞进行细胞毒性实验。采用CCK-8法进行测试。其结果如图12和图13。证明该涂层无明显的细胞毒性。

Claims (10)

1.一种稳定性增强的长效抗菌性多功能涂层的制备方法，其特征在于，所述制备方法是由金属离子与两性离子聚合物螯合形成的涂层，所述两性离子聚合物为聚(羧酸甜菜碱丙烯酸乙酯-co-甲基丙烯酸多巴胺酯)共聚物PCBDA，其化学结构式如下：
Figure FDA0002237697430000011
其中x＝50～200，y＝25～100，x:y＝1:0.1～1。
2.根据权利要求1所述稳定性增强的长效抗菌性多功能涂层的制备方法，其特征在于，所述PCBDA的制备方法如下：
(1)将一定量的羧酸甜菜碱丙烯酸乙酯CBMA和甲基丙烯酸多巴胺酯DOPAMA溶解于反应溶剂中，再加入单体总质量0.5％-1.5％的引发剂，于70℃条件下反应24小时；
(2)反应结束后，反应所得物在无水乙醚中沉析2次，收集沉析物，真空干燥，得到棕色固体即为聚(羧酸甜菜碱丙烯酸乙酯-co-甲基丙烯酸多巴胺酯)共聚物，记为PCBDA。
3.根据权利要求2所述稳定性增强的长效抗菌性多功能涂层的制备方法，其特征在于，所述CBMA与DOPAMA的摩尔比为1:0.1～1。
4.根据权利要求2所述稳定性增强的长效抗菌性多功能涂层的制备方法，其特征在于，所述反应溶剂为N,N-二甲基甲酰胺，所述引发剂为偶氮二异丁腈。
5.根据权利要求2所述稳定性增强的长效抗菌性多功能涂层的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述反应是在氩气保护下经过三次“冷冻-抽气-融化”循环后再进行反应。
6.根据权利要求2所述稳定性增强的长效抗菌性多功能涂层的制备方法，其特征在于，所述真空干燥的温度为50℃，真空干燥时间为24h。
7.根据权利要求1所述稳定性增强的金属-酚聚合物多功能涂层的制备方法，其特征在于，所述多功能涂层是由金属离子与PCBDA共聚物上的邻苯二酚基团配位螯合而得；所述金属离子包括Cu2+，Zn2+，Co2+或Fe3+，所述金属离子与PCBDA共聚物上的邻苯二酚基团的摩尔比为1:0.5～2。
8.根据权利要求1-7任一项所述方法制备得到的稳定性增强的金属-酚聚合物多功能涂层。
9.如权利要求8所述稳定性增强的金属-酚聚合物多功能涂层的应用，其特征在于，是将该多功能涂层应用于隐形眼镜和人工晶状体上。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述应用方法为：
(1)先将两性离子溶解于一定体积的去离子水中，然后用氢氧化钠水溶液将pH调至7.5-8.5；
(2)加入一定的无机金属离子，加入隐形眼镜或人工晶状体，超声5-10min，于室温下避光放置24h，即得。
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