CN110882423A - 一种抗生物污染的涂层及其制备方法、植入式医疗器械 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种抗生物污染的涂层及其制备方法、植入式医疗器械。一种抗生物污染的涂层，包括底层和表层，所述底层为聚多巴胺，所述表层为自组装的离子互补型多肽。其制备过程为：在预定的基材表面原位聚合形成聚多巴胺层；在所述聚多巴胺层的表面上涂覆或浸渍所述离子互补性多肽，之后经过诱导自组装，形成自组装的离子互补型多肽层。本发明能够解决现有涂层稳定性低、不可降解、附着力小等问题。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，特别涉及一种抗生物污染的涂层及其制备方法、植入式医疗器械。
背景技术
生物污染指的是蛋白质、细胞等生物活性物质粘附在材料表面，从而影响材料性能的情况。生物污染常出现于植入式医疗器械的表面，进而导致血栓、炎症等情况的发生，轻则影响治疗效果，重则影响患者的生命。对植入式医疗器械的表面进行处理，降低其表面生物污染，是相关医疗器械在制造过程中的必需流程。
在国内外的研究中，聚乙二醇(PEG)及其衍生物、两性离子聚合物等材料对基材表面进行处理后，都能有效降低生物污染情况。聚乙二醇及其衍生物的生物抗污原理是其空间排斥效应，当蛋白质或者细胞靠近长链PEG表面时，PEG就会被压缩。而这种压缩的构象是不稳定的，PEG链会进而伸展从而排斥蛋白质或者细胞。两性离子聚合物的抗污原理是其分子链中含有的大量正负电荷基团赋予它的超亲水性，具有超亲水性的分子链能够在分子链周围聚集大量水分子从而形成水化层，该水化层能够阻止蛋白质或者细胞吸附在材料表面。
聚乙二醇抗污涂层的涂覆方法简单，成本低廉，生物相容性优异，是目前应用最为广泛的一类抗生物污染材料。但是PEG在实际应用中会出现一系列的问题：1、PEG容易被血液中的有氧环境影响，从基材上脱落；2、PEG在体温下的长期稳定性较差。现有的两性离子聚合物(如羧基甜菜碱型聚合物、磷酰胆碱型聚合物等)的稳定性比PEG高，然而其合成成本高，且与基材之间的固定或附着难度大，大部分不可降解。因此，需要研究一种能兼顾多方面性能的涂层。
发明内容
本发明的目的在于提供一种抗生物污染的涂层，能够解决现有涂层稳定性低、不可降解、附着力小等问题。
为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：
一种抗生物污染的涂层，包括底层和表层，所述底层为聚多巴胺，所述表层为自组装的离子互补型多肽。
该涂层以聚多巴胺为底层能将表面的自组装的离子互补型多肽稳定粘结在基材表面，并且表层的自组装的离子互补型多肽具有超强的亲水性，能阻止细胞、蛋白质等生物活性物质的吸附。另外，由于本发明选用聚多巴胺和离子互补型多肽这一特定的组合，还可以达到以下技术效果。
1、涂层应用各种类型的基材(尤其是植入式医疗器械)时，涂层不容易脱落：
一方面，聚多巴胺吸附力很强，可以稳定吸附在基材表面；另一方面，离子互补型多肽为相邻结构单元上分别含有酸性氨基酸和碱性氨基酸，该系列多肽中还含有极性不带电荷氨基酸与非极性不带电荷氨基酸交替组合结构，这些特点使其能够通过静电相互作用力和亲疏水相互作用力形成β折叠自组装结构，从而能够更好的吸附在聚多巴胺层表面；综上，以聚多巴胺为中间层，利用聚多巴胺的粘性和层间的吸附性，涂层可以稳定的附着于器械表面，解决PEG易脱落以及两性离子聚合物附着难度大的问题。
2、自组装的离子互补型多肽在体液环境中稳定，不易变质等问题，使用寿命长：
自组装的离子互补型多肽中的肽键只有强酸、强碱、消化酶存在时才会断裂，自组装后的离子互补型多肽具有β折叠的二级构象，不会发生由于体温所引起的结构破坏，即在体内稳定性高。
3、离子互补型多肽为可降解的生物相容性的材料，其自组装的方法简单，不需要复杂的聚合过程。
与现有的抗生物污染涂层相比，本发明具有稳定性高、更安全环保、合成简单等优点。
本发明所述的离子互补型多肽是指具备与张曙光研究左旋DNA结合蛋白时发现的多肽特点相同的结构，即其在水中能形成纤维状结构，序列之间有氢键、静电相互作用，并且在自组装后表面具有极强的亲水性，能在体液中或溶液环境中形成水化层。
本发明所述自组装可以是自发的或者诱导的自组装。
在以上基础上，还可以进一步改进，以改善其它性能，如下。
为了提高涂层表层的亲水性，优选地，所述离子互补型多肽的氨基酸序列为以下式中的至少一种：
[(X1X2X3)a(X1’X2’X3’)b]n，[(X1’X2’X3’)b(X1X2X3)a]n，
其中，X1、X2和X3选自非极性不带电荷氨基酸、极性不带电荷氨基酸、碱性氨基酸中的一种，X1’、X2’和X3’选自非极性不带电荷氨基酸、极性不带电荷氨基酸、酸性氨基酸中的一种，
并且X1、X2和X3中至少有两个不同时为非极性不带电荷氨基酸、极性不带电荷氨基酸或碱性氨基酸，
并且X1’、X2’和X3’中至少有两个不同时为非极性不带电荷氨基酸、极性不带电荷氨基酸或酸性氨基酸；
a为1～5的正整数，b为1～5的正整数，n为1～5的正整数。
上文中，X1、X2和X3中只有一个非极性不带电荷氨基酸、一个极性不带电荷氨基酸和一个碱性氨基酸是指：X1、X2和X3中不能有两个或三个氨基酸为同一类型，该类型是指本发明上文限定的那些类型。X1’、X2’和X3’的限定与此相似。
满足以上条件的多肽序列有一些类型：
[(Xm X+Xp)a(Xm X-Xp)b]n (I)，
[(Xm X-Xp)a(Xm X+Xp)b]n (II)，
[(Xp X+Xm)a(Xp X-Xm)b]n (III)，
[(Xp X-Xm)a(Xp X+Xm)b]n (IV)，
[(X+Xm Xp)a(X-Xm Xp)b]n (V)，
[(X+Xp Xm)a(X-Xp Xm)b]n (VI)，
[(X-Xm Xp)a(X+Xm Xp)b]n (VII)，
[(X-Xp Xm)a(X+Xp Xm)b]n (VIII)，
[(Xm Xp X+)a(Xm Xp X-)b]n (IX)，
[(Xp Xm X+)a(Xp Xm X-)b]n (X)，
[(Xm Xp X-)a(Xm Xp X+)b]n (XI)，
[(Xp Xm X-)a(Xp Xm X+)b]n (XII)。
其中，Xp代表的是非极性不带电荷氨基酸，Xm代表的是极性不带电荷氨基酸，X+代表的是碱性氨基酸，X-代表的是酸性氨基酸，a代表的是1-5的正整数，b代表的是1-5的正整数，n代表的是1-5的正整数。
优选地，所述离子互补型多肽的氨基酸序列为：
GRVGEVGRVGEVGRVGEV、SKISDISKISDISKISDI、HGFEGFHGFEGFH-GFEGF，AYRSMDAYRSMDAYRSMD，HNPEQLHNPEQLHNPEQL，YKWTDI-YKWTDIYKWTDI。
以上列举的多肽序列中，氨基酸的简称含义如本领域通用的含义，例如G为甘氨酸，R为精氨酸，V为缬氨酸等。
本发明所述的抗生物污染的涂层可采用以下方法制得：
在预定的基材表面原位聚合形成聚多巴胺层；
在所述聚多巴胺层的表面上涂覆或浸渍所述离子互补性多肽，之后经过诱导自组装，形成自组装的离子互补型多肽层。
预定的基材指涂层应用的基体，包括但不限于：长期或短期使用的医用植入式导管、植入式传感器、植入式引流装置、植入式载药装置、植入式电刺激器、植入式功能填充物等。
由于多巴胺容易聚合，为了使其能更稳定地吸附在基材上，采用原位聚合。
其中，所述原位聚合的方法优选为：
使所述基材在1mg/mL～8mg/mL多巴胺溶液中浸泡24h以上，多巴胺溶液浓度可以为1mg/mL～8mg/mL之间的任意浓度，例如1mg/mL、2mg/mL、3mg/mL、4mg/mL、5mg/mL、6mg/mL、7mg/mL、8mg/mL等，优选为3～4mg/mL。
以上浸泡法在常温常压下即可进行，大大降低生产难度和工艺成本，也不需要复杂昂贵设备。
所述诱导自组装的方法优选为：
离子互补型多肽在含氨基酸和离子的溶液环境下触发下完成自组装。
本发明所述的含氨基酸和离子的溶液环境通常是与离子互补型多肽相适配的，不同的多肽适应的最优的诱导条件不同。
优选地，所述溶液环境为DMEM培养基，且优选无酚红。
优选地，所述DMEM培养基中葡萄糖的浓度为3～5g/L，更优的浓度为4.5g/L。
优选地，在所述在含氨基酸和离子的溶液环境中反应时间为4h以上。
优选地，在所述聚多巴胺层的表面上浸渍所述离子互补性多肽的方法为：
在1mg/mL～8mg/mL离子互补型多肽溶液中浸泡24h以上。
本发明所述的离子互补型多肽溶液所用的溶剂是任意的常规的，例如水等。
本发明所述的多巴胺溶液所用的溶剂为水或低级醇等。
在原位聚合形成聚多巴胺层之后，优选冲洗基材，去除残余的溶液或多巴胺单体分子。
在自组装完成后，优选加热烘干基材。
如上所述，本发明所述的涂层具有良好的抗生物污染性，可以用于生物医疗、海洋防污等领域，尤其是用于植入式医疗器械时性能更突出，即在植入式医疗器械的表面设有上述的抗生物污染的涂层。该植入式医疗器械包括但不限于：长期或短期使用的医用植入式导管、植入式传感器、植入式引流装置、植入式载药装置、植入式电刺激器、植入式功能填充物等。
综上，与现有技术相比，本发明达到了以下技术效果：
(1)稳定性高；
(2)亲水性强，抗生物污染性能更优；
(3)生物相容性好，可降解，植入体内更安全；
(4)制备工艺简单，不涉及严苛的反应条件，无需复杂昂贵的设备，成本低，更容易工业化推广。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例1中GRVGEVGRVGEVGRVGEV多肽涂层的表面的扫描电镜照片，从图中可以看出自组装后的GRVGEVGRVGEVGRVGEV在微观尺度下呈现有序的片状结构。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
对不同多肽序列的筛选试验
分别以GRVGEVGRVGEVGRVGEV、SKISDISKISDISKISDI、HGFEGFHGFEGFHGFEGF，AYRSMDAYRSMDAYRSMD，HNPEQLHNPEQLHNPEQL，YKWTDIYKWTDIYKWTDI为例，配置6mg/mL的多肽水溶液20mL，在其中加入10mL含4.5g/L葡萄糖的DMEM培养基，摇匀混合后，静置10min。随后将测试多肽溶液的圆二色谱，并将溶液冻干，进行扫描电镜观测。筛选出在圆二色谱中出现β折叠构象，且在电镜照片出表现出自组装形态的多肽序列。
对工艺条件的筛选试验
以GRVGEVGRVGEVGRVGEV为例，以下是对涂层工艺的筛选试验。1、多巴胺浓度及浸泡时间的筛选。试验发现，当多巴胺溶液低于1mg/mL时，涂层过薄，粘附力不够；当多巴胺溶液高于8mg/mL时，多巴胺易在溶液中而非基材表面发生聚合，从而导致原料的浪费，故筛选1-8mg/mL之间的多巴胺浓度作为试验条件。经过试验探索，多巴胺溶液的浸泡时间至少为24小时。2、多肽溶液浓度及浸泡时间的筛选。试验发现，当多肽浓度低于1mg/mL时，基材表面聚集的多肽密度过低。为了控制成本，将多肽溶液浓度的最大值筛选为8mg/mL。经过试验探索，多肽溶液的浸泡时间至少为24小时。3、DMEM培养基浸泡时间的筛选。DMEM浸泡时间若太短，不足以诱导涂层表面的所有多肽分子发生自组装化，从而降低了涂层的抗污能力。经过试验探索，DMEM培养基的浸泡时间至少为8小时。
选取以上几种多肽序列和较优的制备条件对基材表面改性，具体如下的实施例。
实施例1
一种抗生物污染涂层适用于金属表面，如用于封装/支撑植入式医疗器械的金属体，或主体为金属的植入物等，可适用的金属包括钛、或钽、或金、或铂、或不锈钢或其合金等。涂层制备方法及步骤如下：
第一步、将金属表面置于3mg/mL的多巴胺溶液中，浸泡24小时，多巴胺分子在金属表面氧化聚合成聚多巴胺后，使用去离子水冲洗表面以去除残余的多巴胺分子。
第二步、将其浸泡于4mg/mL的GRVGEVGRVGEVGRVGEV多肽溶液中浸泡48小时，浸泡结束后使用去离子水冲洗材料表面，去除未连接至聚多巴胺层上的多肽分子。
第三步、再将其浸泡于DMEM培养基中(无酚红，葡萄糖浓度4.5g/L)8小时，诱导聚集在表面的离子互补型发生自组装，从而获得具有抗生物污染能力的复合涂层。
第四步，将涂覆有自组装多肽涂层置于40℃下烘干4小时，以去除残余的水分，如图1，自组装后的GRVGEVGRVGEVGRVGEV在微观尺度下呈现有序的片状结构。
实施例2
一种抗生物污染涂层适用于金属表面，如用于封装/支撑植入式医疗器械的金属体，或主体为金属的植入物等，可适用的金属包括钛、或钽、或金、或铂、或不锈钢或其合金等。涂层制备方法及步骤如下：
第一步、将金属表面置于3mg/mL的多巴胺溶液中，浸泡24小时，多巴胺分子在金属表面氧化聚合成聚多巴胺后，使用去离子水冲洗表面以去除残余的多巴胺分子。
第二步、将其浸泡于6mg/mL的SKISDISKISDISKISDI多肽溶液中浸泡24小时，浸泡结束后使用去离子水冲洗材料表面，去除未连接至聚多巴胺层上的多肽分子。
第三步、再将其浸泡于DMEM培养基中(无酚红，葡萄糖浓度4.5g/L)8小时，诱导聚集在表面的离子互补型发生自组装，从而获得具有抗生物污染能力的复合涂层。
第四步，将涂覆有自组装多肽涂层置于40℃下烘干4小时，以去除残余的水分。
实施例3
与实施例1的区别是第一步中所用的多巴胺的浓度不同，为4mg/mL，其余步骤及条件完全相同。
实施例4
与实施例1的区别是第三步中浸泡的时间不同，为12小时，其余步骤及条件完全相同。
实施例5
一种抗生物污染涂层适用于金属表面，如用于封装/支撑植入式医疗器械的金属体，或主体为金属的植入物等，可适用的金属包括钛、或钽、或金、或铂、或不锈钢或其合金等。涂层制备方法及步骤如下：
第一步，将高分子材料表面置于6mg/mL的多巴胺溶液中，浸泡48小时，多巴胺分子在高分子表面氧化聚合成聚多巴胺后，使用去离子水冲洗表面以去除残余的多巴胺分子。
第二步，再将其浸泡于6mg/mL的HGFEGFHGFEGFHGFEGF多肽溶液中浸泡48小时，浸泡结束后使用去离子水冲洗材料表面，去除未连接至聚多巴胺层上的多肽分子。
第三步，再将其浸泡于DMEM培养基中(无酚红，葡萄糖浓度4.5g/L)24小时，诱导聚集在表面的离子互补型发生自组装，从而获得具有抗生物污染能力的复合涂层。
第四步，将涂覆有自组装多肽涂层置于40℃下烘干6小时，以去除残余的水分。
实施例6
一种抗生物污染涂层适用于金属表面，如用于封装/支撑植入式医疗器械的金属体，或主体为金属的植入物等，可适用的金属包括钛、或钽、或金、或铂、或不锈钢或其合金等。涂层制备方法及步骤如下：
第一步，将高分子材料表面置于8mg/mL的多巴胺溶液中，浸泡48小时，多巴胺分子在高分子表面氧化聚合成聚多巴胺后，使用去离子水冲洗表面以去除残余的多巴胺分子。
第二步，再将其浸泡于8mg/mL的GRVGEVGRVGEVGRVGEV多肽溶液中浸泡48小时，浸泡结束后使用去离子水冲洗材料表面，去除未连接至聚多巴胺层上的多肽分子。
第三步，再将其浸泡于DMEM培养基中(无酚红，葡萄糖浓度4.5g/L)8小时，诱导聚集在表面的离子互补型发生自组装，从而获得具有抗生物污染能力的复合涂层。
第四步，将涂覆有自组装多肽涂层置于40℃下烘干6小时，以去除残余的水分。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种抗生物污染的涂层，其特征在于，包括底层和表层，所述底层为聚多巴胺，所述表层为自组装的离子互补型多肽。
2.根据权利要求1所述的抗生物污染的涂层，其特征在于，所述离子互补型多肽的氨基酸序列为以下式中的至少一种：
[(X1X2X3)a(X1’X2’X3’)b]n，[(X1’X2’X3’)b(X1X2X3)a]n，
其中，X1、X2和X3选自非极性不带电荷氨基酸、极性不带电荷氨基酸、碱性氨基酸中的一种，X1’、X2’和X3’选自非极性不带电荷氨基酸、极性不带电荷氨基酸、酸性氨基酸中的一种，
并且X1、X2和X3中只有一个非极性不带电荷氨基酸、一个极性不带电荷氨基酸和一个碱性氨基酸，
并且X1’、X2’和X3’中只有一个非极性不带电荷氨基酸、一个极性不带电荷氨基酸和一个酸性氨基酸；
a为1～5的正整数，b为1～5的正整数，n为1～5的正整数。
3.权利要求1或2所述的抗生物污染的涂层的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
在预定的基材表面原位聚合形成聚多巴胺层；
在所述聚多巴胺层的表面上涂覆或浸渍所述离子互补性多肽，之后经过诱导自组装，形成自组装的离子互补型多肽层。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述原位聚合的方法为：
使所述基材在1mg/mL～8mg/mL多巴胺溶液中浸泡24h以上，多巴胺溶液浓度优选为3～4mg/mL。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述诱导自组装的方法为：
离子互补型多肽在含氨基酸和离子的溶液环境下触发下完成自组装。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述溶液环境为DMEM培养基；
优选地，在所述在含氨基酸和离子的溶液环境中反应时间为4h以上。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述DMEM培养基中葡萄糖的浓度为3～5g/L。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述聚多巴胺层的表面上浸渍所述离子互补性多肽的方法为：
在1mg/mL～8mg/mL离子互补型多肽溶液中浸泡24h以上。
9.一种植入式医疗器械，其特征在于，所述器械的表面设有权利要求1或2所述的抗生物污染的涂层。
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