CN112030352A

CN112030352A - 一种新型抗菌导尿管外层纤维膜的制备方法

Info

Publication number: CN112030352A
Application number: CN202010800344.6A
Authority: CN
Inventors: 魏延; 许浩; 黄棣; 胡银春; 赵丽琴
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2020-08-11
Filing date: 2020-08-11
Publication date: 2020-12-04

Abstract

本发明涉及一种新型抗菌导尿管外层纤维膜的制备方法。主要成分为聚乳酸/纳米氧化锌纤维膜。通过液氨沉淀法制得具有六方晶体结构的纳米氧化锌颗粒，粒径在150~300 nm之间，分布范围较窄，结晶度较高。将聚乳酸完全溶解于按7：3配置的二氯甲烷（DCM）和N,N‑二甲基甲酰胺（DMF）溶剂中，与上述纳米氧化锌颗粒共混制得纺丝液，基于静电纺丝技术制备出生物相容性良好、力学性能稳定、具有抑菌作用的聚乳酸/纳米氧化锌（PLA/nZnO）多孔纤维膜。本发明具有操作简单易行及环境友好等特点。

Description

一种新型抗菌导尿管外层纤维膜的制备方法

技术领域

本发明属于医疗器械材料领域，具体涉及一种新型抗菌导尿管外层纤维膜的制备方法。

背景技术

随着全世界人口老龄化现象的逐渐突显，泌尿系统感染问题也位列其中，针对泌尿系统相关疾病正逐渐成为研究热点。导尿管是临床导尿时不可缺少的医疗器具，但目前仍存在着尿路感染等诸多问题。据统计，美国每年导尿管相关性尿路感染（catheter-associated urinary tract infections，CAUTI）患者占医院获得性感染的40％，位居医院获得性感染的第二位。CAUTI不仅给病人带来巨大的痛苦，也潜移默化地造成了卫生资源的流失。因此，研制具有优良生物相容性、力学性能以及抗菌性能的导尿管对于减轻病人的痛苦和经济负担以及临床相关疾病的诊治具有重要意义。目前，抗菌导尿管的设计主要基于两条路线，其一在主体材料中掺杂抗菌剂，其二是在主体材料表面包覆抗菌涂层。而制备方法多是挤出式的或者将主体聚合物材料浸泡在抗菌剂中，亦或是将抗菌剂涂覆在主体材料表面等。方法简单易行但是最大的缺点就是无法控制抗菌剂的比例，过多的抗菌剂对人体本身就是一种毒性，也会造成抗生素耐药性的产生。常见的抗菌剂除了抗生素外，还有诸多重金属离子较为常见，例如纳米银等。其最大的缺点也是产生的银离子对人体来说也是有毒的。纳米氧化锌是一种新型高功能精细无机材料，粒径在1~100 nm之间，具有规整的六角形纤锌矿结构，稳定性好。因其特有的表面效应、量子隧道效应效应，以及显著的抗菌性，同时锌元素又是人体必需的微量元素，纳米ZnO已经成为无机抗菌剂的研究热点之一。但是目前还未有将纳米氧化锌用作导尿管中的抗菌剂；纳米纤维是一种直径为纳米级别的一维结构材料，具有长径比大、阶层结构效果显著、可功能性开发潜力大等特点，在膜材料、催化剂、生物制品、复合增强材料等领域拥有巨大发展潜力。静电纺丝，是指高分子流体利用静电雾化成微小射流，经固化形成纤维的技术，是合成纳米级聚合物纤维的常用手段。静电纺纳米纤维还有比表面积大、孔隙率高等优良特性，结合聚合物的良好生物相容性，能够很好的模拟细胞外基质，在抵御外界侵害的同时也能提供细胞黏附的场合，通过添加功能试剂改性使其在药物控释、创伤修复、生物组织工程等方面也得到了很好的应用。聚乳酸因具有良好的生物相容性以及生物降解性，也得到了FDA等机构的批准，被广泛用于各种生物材料中。但是目前也未有将此材料用于导尿管中，鉴于此，本发明利用静电纺丝技术将聚乳酸与纳米氧化锌共混纺丝，制备了一种具有良好生物相容性抗菌膜，然后将其附着在主体材料表面共同制备成导尿管。

纳米纤维是一种直径为纳米级别的一维结构材料，具有长径比大、阶层结构效果显著、可功能性开发潜力大等特点，在膜材料、催化剂、生物制品、复合增强材料等领域拥有巨大发展潜力。静电纺纳米纤维还有比表面积大、孔隙率高等优良特性，结合聚合物的良好生物相容性，能够很好的模拟细胞外基质，在抵御外界侵害的同时也能提供细胞黏附的场合，通过添加功能试剂改性使其在药物控释、创伤修复、生物组织工程等方面也得到了很好的应用。在医疗器械表面包覆功能性涂层，是提高材料抗菌性和生物相容性的一个有效途径。

发明内容

本发明提供了一种基于静电纺丝技术制备新型抗菌、生物相容性良好、力学性能优异的聚乳酸/纳米氧化锌纤维膜的方法。该电纺膜在干态和湿态下均具有较高的力学强度，并且具有较好的生物相容性、抗菌性能，可以满足导尿管外层抗菌膜的需求。

本发明通过液氨沉淀法制备了纳米氧化锌粉末。基于静电纺丝技术，选取了结晶度最佳的氧化锌作为抗菌剂与聚乳酸溶液混纺，通过控制聚乳酸浓度、纺丝液推进速度、滚筒转速等变量比较过程参数，在最佳纺丝工艺下制备了聚乳酸/纳米氧化锌多孔纤维膜。该方法包括以下步骤：

a）nZnO的制备

用去离子水配置25%的六水硝酸锌溶液，在磁力搅拌作用下，向其中缓慢滴加12.5 mL氨水，形成白色沉淀。继续搅拌30 min，待反应完全后，取白色沉淀用纯水与无水乙醇以3000 r/min 的速度离心10 min交替清洗3次并烘干。随后用高温箱式炉在500 ℃下恒温煅烧白色沉淀2 h，冷却后得到 nZnO 颗粒。

b）纺丝液的制备

将聚乳酸完全加入按 7：3 配置的二氯甲烷（DCM）和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶剂中，常温搅拌6~8 h，待聚乳酸完全溶解，加入上述纳米氧化锌颗粒，常温搅拌2~3 h，制得纺丝液。

c）PLA / nZnO膜的制备

将纺丝液转移到 10 mL 注射器中，采用磨平的注射针头作为喷射细流的毛细管，连接高压电源的正极，金属接收装置连接负极，其转速及溶液挤出量由静电纺丝机软件控制。电纺参数如下：针头内径 0. 7 mm，挤出速度 0. 5 mL/h，接收距离 12 cm，喷射电压为 18kV。将接收材料(铝箔)固定在滚筒装置上，在滚筒转速为500 r/min下持续纺丝 5 h，用热去离子水清洗，烘干，制得聚乳酸/纳米氧化锌纤维膜。

本发明所用静电纺丝机由北京康森特科技有限责任公司生产，型号为KH-1089 。所用程序为设备出厂固有软件，金属接收装置为该型号静电纺丝机配置的不锈钢合金滚筒，轴向长度为10cm，截面直径为6cm。

在本发明的方法中，所述聚乳酸浓度为6%-12%，优选为10%。所述聚乳酸浓度过低时，纤维中出现串珠状结构，使得纤维的结构变得相对不稳定；当聚乳酸的浓度达到10%及以上时，串珠状结构消失，纤维直径减小，随聚乳酸浓度增大，力学性能降低。

本发明制得聚乳酸/纳米氧化锌纤维膜，在干态和湿态下均可以表现良好的抗菌性能、生物相容性以及力学性能，可以改进生物医用材料的表面理化性质，契合当前临床需求。另一方面，所采用的静电纺丝公寓制备所得纤维直径达纳米级别，且纤维膜表面光洁平整、厚度均一。

附图说明

图1是制备PLA / nZnO纤维膜的工艺流程图。

图2是nZnO 颗粒的SEM形貌图。

图3为PLA/ nZnO 复合膜的SEM形貌图。

图4为图3选区中PLA/ nZnO 复合膜的Zn元素面扫分布图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明作进一步说明，这些实施例只是为了更好地理解本发明，并且在任何情况下都不应该将其解释为限制本发明的范围，本发明的范围由所附的权利要求书所限定。以下是本发明的示例性的具体实施方案，通过这些实施方案可以更充分地理解本发明的上述优点。

nZnO颗粒的制备

PLA / nZnO 纤维膜的制备

将纺丝液转移到 10 mL 注射器中，采用磨平的注射针头作为喷射细流的毛细管，连接高压电源的正极，金属接收装置连接负极，其转速及溶液挤出量由整机软件控制．电纺参数如下：针头内径 0. 7 mm，挤出速度 0. 5 mL/h，接收距离 12 cm，喷射电压为 18 kV。将接收材料(铝箔)固定在滚筒装置上，在滚筒转速为500 r/min下持续纺丝 5 h，用热去离子水清洗，烘干，制得聚乳酸/纳米氧化锌纤维膜。

PLA / nZnO 纤维膜的抗菌性能研究

采用抑菌环法检测PLA / nZnO 复合纤维膜的抗菌性

首先将革兰氏阴性大肠杆菌（Escherichia coli）、革兰氏阳性金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)进行活化、分离纯化以备用，然后将PLA / nZnO 复合纤维膜进行压片处理。

将提纯好的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌菌液稀释至10⁶ cfu/mL，使用固体培养基倒平板，待固体培养基凝固后吸取100 μL菌液注入，并用涂布器涂布均匀，将样品片分别放在培养皿中心并标上记号，放入恒温培养箱（37 ℃）内24 h后取出观察，用游标卡尺测量抑菌环的直径并记录, 每组样品进行 3 次平行试验。结果显示，实验组对两种细菌均有明显的抑菌环形成，而对照组未产生抑菌环，表明聚乳酸/纳米氧化锌复合膜具有一定的抗菌效果，且对革兰氏阴性菌（大肠杆菌）和革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌）均有抑菌作用。

PLA / nZnO 纤维膜的细胞毒性研究

将浓度为10⁵/mL的 MC3T3细胞种植在三个无菌96孔培养板中，每孔100 μL，每个板种植5行6列，周围用PBS缓冲液水封减少培养基的挥发，置于37 ℃，5% CO₂的恒温培养箱中培养24 h留作备用。用打孔器将PLA / nZnO 复合纤维膜制成3个 Φ 10 mm × 1 mm 的圆形薄片，紫外灭菌 24 h，用无血清培养基制备浸提液，并把3组样品的浸提液稀释成20 mg/mL、10 mg/mL、5 mg/mL、2.5 mg/mL、1.25 mg/mL五个浓度。取纯无血清培养基为对照组，未加细胞的纯培养基为空白组，加五个浓度的浸提液，每个样品做五个平行对照，共计5行7列，3个孔板同样设置。向上述各孔分别加入100 μL对应浓度的浸提液和无血清培养基，分别在培养箱中孵育24 h、72 h、120 h后取出1个孔板，然后向各孔加入10 μL CCK-8溶液，在培养箱内孵育2h，培养基颜色由粉红变为橙色时取出，用酶标仪测定每孔在450 nm处的吸光度，并计算各孔细胞的存活率。计算公式为：

并分别求出平均值及标准方差。结果显示，随着浸提液浓度的增大，细胞存活率逐渐降低，且PLA/nZnO复合纤维膜浸提液培养的细胞存活率较聚乳酸纤维膜浸提液培养的细胞存活率相对偏低，说明nZnO 具有一定的细胞毒性。但连续培养72 h后，所有孔的细胞存活率均高于75%，说明聚乳酸/氧化锌复合膜的细胞毒性较弱。

Claims

1.一种新型抗菌导尿管外层纤维膜的制备方法，其特征是包括以下步骤：

（1）用去离子水配置25%的六水硝酸锌溶液100ml，在磁力搅拌作用下，向其中缓慢滴加12.5 mL 氨水，形成白色沉淀，继续搅拌30 min，待反应完全后，取白色沉淀用纯水与无水乙醇以3000 r/min 的速度离心10 min交替清洗3次并烘干，随后用高温箱式炉在500 ℃下恒温煅烧白色沉淀2 h，冷却后得到纳米氧化锌颗粒；

（2）将聚乳酸加入溶剂中，聚乳酸：溶剂体积比=1:10，常温搅拌6~8 h，待聚乳酸完全溶解，加入纳米氧化锌颗粒，常温搅拌2~3 h，制得纺丝液；溶剂按二氯甲烷：N,N-二甲基甲酰胺体积比= 7：3 配置；

（3）将纺丝液转移到 10 mL 注射器中，采用磨平的注射针头连接高压电源的正极，静电纺丝机的金属接收装置连接负极，将接收材料固定在金属接收装置滚筒上，在滚筒转速为500 r/min下持续纺丝 5 h，用热去离子水清洗，烘干，制得聚乳酸/纳米氧化锌纤维膜；电纺参数如下：针头内径 0. 7 mm，挤出速度 0. 5 mL/h，接收距离 12 cm，喷射电压为 18kV。