CN112342496B - 双层复合薄膜的制备方法 - Google Patents

双层复合薄膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双层复合薄膜的制备方法。所述方法底层采用低功率电子束沉积技术，制备聚乳酸基环丙沙星抗菌薄膜，上层采用超声波雾化法制备PU:石蜡:万古霉素抗菌复合薄膜。本发明制得的抗菌薄膜与基底的结合力强，致密性好，薄膜厚度可控，具有良好的抗菌性能和优异的缓释性能，缓释抗菌效果至少可以达到一周且缓释抗菌性能稳定，可用于医疗器械的表面抗菌，消除细菌粘附。

Description

双层复合薄膜的制备方法
技术领域
本发明属于抗菌薄膜的制备技术领域，涉及一种PLA:环丙沙星/PU:石蜡:万古霉素双层复合薄膜的制备方法。
背景技术
聚氨酯(PU)是一类在高分子结构主链上含有氨基甲酸酯基团(—NHCOO—)的聚合物，通常由多异氰酸酯、多元醇聚合物或芳香族二胺等经逐步加成聚合而成。由于聚氨酯含有强极性氨基甲酸酯基团，调节NCO/OH的比例，可以制得不同的热固性聚氨酯和热塑性聚氨酯产物。聚氨酯不仅具有良好的生物相容性、生物降解、生物稳定、抗血凝、抗菌性能，还具有优异的力学性能、耐磨损及易加工成型的应用等优点，被应用于人工心脏瓣膜、血管涂层和药物控释等众多生物医学领域。
聚乳酸(PLA)热稳定性好、生产过程无污染、具有良好的生物相容性和可降解性，还具有一定的抗菌性，应用广泛，如用于包装材料、注塑、生物医药等方面，是一种理想的绿色高分子材料。
环丙沙星(CIP)具有广泛的抗菌作用，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌等具有良好的抗菌效果。
万古霉素对葡萄球菌属包括金葡菌和凝固酶阴性葡萄球菌中甲氧西林敏感及耐药株、各种链球菌、肺炎链球菌及肠球菌属等均有良好抗菌作用。
食品级石蜡无毒，主要用于口服药品及某些商品(如蜡纸、蜡笔、蜡烛、复写纸)的组分及包装材料，烘烤容器的涂敷料，水果保鲜，电器元件绝缘，提高橡胶抗老化性和增加柔韧性等。
李宽宽等通过向在位固化的聚氨酯中添加无机抗菌剂磷酸银和纳米羟基磷灰石制备了可注射聚氨酯基复合材料，结果表明材料抗菌性能随磷酸银含量的增加逐渐提高，但是抗菌性仅能达到24h，抑菌持久性较差，且Ag为重金属元素，若用于医学领域，具有不可预知的风险(李宽宽，左奕，蒋佳兴等.可注射聚氨酯基抗菌复合骨水泥的制备与表征[J].化学研究与应用，2016,28(5):748-752)。张静哲等将介孔羟基磷灰石/壳聚糖作为万古霉素的缓释载体，虽然具备一定的骨诱导作用，但载药量有限，无法持续维持药物浓度(张静哲，李冬冬，刘桂峰等.新型介孔羟基磷灰石/壳聚糖-万古霉素药物释放系统复合材料的制备及体外抗菌和成骨能力[J].高等学校化学学报，2012,33(2):219-224.)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有优良的抗菌性能及缓释性能的PLA:环丙沙星/PU:石蜡:万古霉素双层复合薄膜的制备方法。该方法先采用低功率电子束法在室温条件下制备PLA:环丙沙星薄膜，再采用低功率电子束和超声波雾化法连用制备PU:石蜡:万古霉素复合薄膜，以上两个过程的膜材料均以物理方法制备，由于电子束沉积功率较低，保护了环丙沙星药物分子不被破坏，超声波雾化法利用石蜡分子熔点低的特点，在石蜡融化蒸发的过程携带万古霉素分子沉积在基底上，因而万古霉素分子的结构也不会遭到破坏，保证了抗生素分子本身的完整性。
实现本发明目的的技术方案如下：
PLA:环丙沙星/PU:石蜡:万古霉素双层复合薄膜的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，将环丙沙星粉末与聚乳酸混合均匀，置于反应腔室，调整靶材与洁净的基底的距离为20～30cm，抽真空，镀膜，设置工作电流在6～7A，工作电压在0.8～1.2kV，采用电子束沉积技术制备得到聚乳酸基环丙沙星抗菌薄膜；
步骤2，将质量比石蜡：万古霉素＝2:1的靶材原料经机械研磨并混合均匀后放入超声波雾化器中，压实靶材，同时将PU粉末放在真空室中，抽真空结束后，采用电子束沉积技术沉积PU薄膜，设置工作电流为7～8A，工作电压在0.9～1.3kV，同时开启超声波雾化器，在聚乳酸基环丙沙星抗菌薄膜上沉积PU:石蜡:万古霉素薄膜，当超声波雾化器中的靶材沉积完毕后，同时结束PU的沉积，得到PLA:环丙沙星/PU:石蜡:万古霉素双层复合薄膜。
优选地，所述的基底选自钛片、硅片或KBr盐片。
优选地，所述的聚乳酸与环丙沙星的质量比为1:1。
优选地，所述的PU、石蜡和万古霉素的质量比为2:2:1。
与现有的技术相比，本发明具有以下优点：
(1)环丙沙星的分子量为331.35，万古霉素分子量为1485.7，由于环丙沙星分子量较小，在较低功率下即可通过电子束沉积可以制备成膜，而万古霉素分子量大约为环丙沙星的4.5倍，使用电子束沉积效率低，没有足够的能量携带万古霉素分子成膜并且不破坏其结构，故采用超声波雾化法沉积分子量大的万古霉素，超声波雾化法可保证靶材原料不被破坏，薄膜成分与靶材原料一致，因此采用低功率电子束技术和超声波雾化法连用的方法制备双层抗菌复合薄膜，两种方法均为物理方法，避免了药物分子成分的改变；
(2)本发明采用低功率电子束技术和超声波雾化法连用，该方法较为新颖，突破了传统物理方法如吸附作用，物理共混的局限性；
(3)制备的双层抗菌复合薄膜材料具有良好的抗菌性能，缓释抗菌性能稳定，经过7d缓释，抗菌效果仍为缓释1d后的86.2％，可以用于医疗器械的表面抗菌，避免细菌粘附；
(4)在真空条件下蒸发材料，可以避免制备出的材料被污染和氧化，制备材料的可设计能力强。
附图说明
图1是基底为Ti片时，复合膜(PLA:CIP/PU:石蜡:万古霉素)对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌效果图，其中图1(A)菌种为金黄色葡萄球菌；图1(B)菌种为大肠杆菌；
图2是薄膜及靶材原料粉末的红外光谱图，1-PLA:CIP/PU:石蜡:万古霉素复合薄膜，2-PU粉末，3-石蜡，4-万古霉素粉末；
图3是基底为Ti片时，PLA:CIP/PU:石蜡:万古霉素复合薄膜1-7d的缓释抗菌效果图；
图4是基底为Si片时，PLA:CIP/PU:石蜡:万古霉素复合薄膜的扫描电镜图，A-放大倍数为1000，B-放大倍数为16000；
图5是基底为Ti片时，PU:石蜡:万古霉素单层薄膜的抗菌效果图和缓释抗菌效果图，A-抗菌效果图，B-缓释1d后的抗菌效果图；
图6是基底为Ti片时，PLA:环丙沙星单层薄膜1-3d的缓释抗菌效果图。
图7是基底为Ti片时，PLA:环丙沙星/PU:环丙沙星双层抗菌薄膜1-10d的缓释抗菌效果图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
实施例1
分别取1*1cm的钛片和硅片，放在乙醇中超声清洗15min，再用分子水洗，重复以上清洗步骤3次，把装有钛片和硅片的小烧杯用保鲜膜封起来放入马弗炉中烘干。将烘干后的钛片、硅片以及提前备好的KBr盐片放置在电子束沉积的腔室中，用夹子将基底固定，进行PLA:CIP/PU:石蜡:万古霉素复合薄膜的沉积，具体步骤如下：
(1)沉积PLA基环丙沙星抗菌薄膜
将质量比(PLA:CIP＝1:1)的靶材放入电子束沉积的反应室中，用机械泵和分子泵分别抽真空，使真空度达到6×10-3～8×10-3Pa。打开沉积薄膜的电源，将工作电流调节在6～7A，工作电压控制在0.8～1.2kV，当真空度显示在10-2Pa时，可通过观察窗看到在靶材和基底之间有等离子态的物质由靶材向基底转移，通过膜厚仪上膜厚的变化可以判断沉积是否完成，当膜厚不再变化时，即可说明沉积结束，此时将电流和电压缓慢归零，等待10min，使真空室的温度降为室温后，关闭仪器电源，镀膜完成。
(2)沉积PU：石蜡：万古霉素抗菌薄膜
将质量比石蜡:万古霉素＝2:1的靶材原料经机械研磨并混合均匀后放入超声波雾化器中，并将靶材压实，同时将PU粉末放在真空室中，抽真空结束后，首先采用EBD法沉积PU薄膜，设置工作电流为7～8A，工作电压在0.9～1.3kV，起初用遮挡物遮住基底，当沉积过程稳定后，旋转遮盖物，同时开启超声波雾化器，在不同基底上沉积该薄膜，当超声波雾化器中的靶材沉积完毕后，同时结束PU的沉积，通过上述两个过程，得到PLA:CIP/PU:石蜡:万古霉素双层抗菌复合薄膜。
(3)复合膜的缓释
将沉积完成的复合膜用打孔器打成直径为6mm的圆片状，取7片复合膜，分别浸泡在生理盐水中1d、2d、3d、4d、5d、6d、7d，然后取出晾干后做抗菌实验。
(4)金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的培养
称取酵母浸粉0.5g，蛋白胨1.0g，NaCl 1.0g，配置液体培养基，取三支洗净的小试管，在每个小试管中用移液枪量取5.00mL的液体培养基，然后把试管口用锡箔纸封上，再把小试管放入高压蒸汽灭菌锅中灭菌。
灭菌完成后，将试管，接种环，打火机放入超净工作台中用紫外灯照射20min，照射完成后开风扇吹2min，之后戴上一次性的橡胶手套，取出金黄色葡萄球菌的菌种，点燃酒精灯，用酒精棉擦拭双手及超净工作台，将接种环放在酒精灯外焰上灼烧，直至烧红为止，接种环杆的部分要边旋转边灼烧，再将装有金黄色葡萄球菌的试管口放在酒精灯上烧，然后将接种环伸入到装有金黄色葡萄球菌的试管中，取适量的菌种接种到液体培养基中，然后再用锡纸包好，用橡皮筋扎紧，重复以上步骤三次，直到3个试管都接种完成，熄灭酒精灯，关闭超净工作台，将接种好的金黄色葡萄球菌放入30℃的摇床中，培养12h。
大肠杆菌的培养过程基本同上，但培养时间为8h。
(5)双层复合薄膜的结构及抗菌性能的研究
称取酵母浸粉0.5g，蛋白胨1.0g，NaCl 1.0g，琼脂粉1.6g各两份，配制两份固体培养基，将配制好的固体培养基、培养皿、镊子和移液枪头一同放入高压蒸汽灭菌锅中灭菌。
灭菌完成后将培养皿、移液枪头、移液枪和打火机放入超净工作台中用紫外灯照射20min，用风扇吹2min，点燃酒精灯，将培养的金黄色葡萄球菌倒入锥形瓶中，充分震荡，摇匀；将准备好的双层复合抗菌薄膜放在培养皿中心位置，将复合膜材料镀膜的一面朝上，用移液枪移取10.0mL的培养基到培养皿中，注意移取过程中尽量避免有气泡，移取过程要迅速，防止培养基凝固。然后进行大肠杆菌固体培养基的接种，在接种之前，为防止前面金黄色葡萄球菌的感染，需要再用紫外灯照射20min，之后步骤同接种金黄色葡萄球菌，最后将接种好的培养基倒放在30℃的培养箱中培养24h，取出后图片见图1，由抑菌圈可知，复合薄膜对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均具有良好的抗菌效果，图1(A)中，菌种为金黄色葡萄球菌时，抑菌圈的直径为48mm，图1(B)中，当菌种为大肠杆菌时，抑菌圈直径为39mm，表明膜材料对菌种具有较好的区分性，当菌种不同时膜材料抑菌效果相差明显，这是由于环丙沙星和万古霉素对革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌均具有抗菌效果，而万古霉素对革兰氏阴性菌无抑菌作用，大肠杆菌属于革兰氏阴性菌，故双层膜对金黄色葡萄球菌的抗菌效果优于大肠杆菌。
双层复合薄膜的底层为PLA:环丙沙星膜，上层为PU:石蜡:万古霉素膜材料，通过以往的分析可知，PLA基环丙沙星抗菌薄膜可以通过电子束沉积制备，由图2的FTIR图谱可知，2848cm-1和2916cm-1处属于石蜡中脂类的特征吸收带，1700cm-1和1528cm-1处为PU分子中酰胺的特征吸收峰；1230cm-1处和1060cm-1代表万古霉素分子中的C-O单键，通过以上分析可知双层抗菌复合薄膜中含有PU、石蜡和万古霉素的特征吸收峰，表明通过电子束沉积和超声波雾化法联用的技术可成功制备PLA:环丙沙星/PU:石蜡:万古霉素双层复合薄膜。
复合抗菌薄膜的缓释抗菌效果见图3，第1天至第7天的抗菌环直径分别为29mm、28mm、27mm、27mm、27mm、26mm和25mm，经过7d缓释，抗菌效果仍为缓释1d后的86.2％，根据以上数据可知，PLA:CIP/PU:石蜡:万古霉素双层复合薄膜的缓释抗菌效果较为稳定，随着缓释时间的延长，药物释放较为稳定，抗菌环直径呈现减小趋势，但减小范围较小，这是由于外层的PU:石蜡:万古霉素薄膜对内层的PLA基环丙沙星抗菌薄膜的释放起到了延缓的作用，有力的解决了药物突释的问题。
PLA:CIP/PU:石蜡:万古霉素复合薄膜的扫描电镜图见图4，表面形貌呈现球形或者类球形，当放大倍数为16000倍时，表面出现小孔，这些孔状结构有利于对抗生素的包覆，并对药物释放起到一定得控制作用。
对比例1
本对比例为靶材质量比为2:2:1的PU:石蜡:万古霉素单层薄膜，取直径为6mm的膜材料做抗菌实验，抗菌效果见图5(A)，抗菌环直径为19mm，远远小于PLA:CIP/PU:石蜡:万古霉素双层膜的抗菌环直径；图5(B)为在生理盐水中缓释1d后，PU：石蜡：万古霉素单层薄膜的抗菌效果图，此时的抗菌环直径大约为7mm，基本上已经失去了对金黄色葡萄球菌的抗菌效果，这表明与单层膜相比，双层膜具有很大的优势，外层的PU:石蜡:万古霉素抗菌薄膜主要用于解决药物突释问题，上层药物的快速释放，可用于前期医疗器械的抗菌，而下层的PLA基环丙沙星抗菌薄膜则可用于后期的缓慢释放，另一方面上层的薄膜对下层的药物也起到了控制释放速率的作用。
对比例2
本对比例为靶材质量比为1:1的PLA基环丙沙星单层薄膜，沉积工艺与实施例1中底层的PLA基环丙沙星薄膜相同，将直径为6mm的膜材料分别在生理盐水中浸泡1天、2天和3天，取出后做抗菌实验，缓释抗菌效果见图7，缓释3天的抗菌环直径分别为17mm、14mm和13mm，缓释时常基本维持3天左右，PLA:环丙沙星/PU:石蜡:万古霉素双层抗菌复合薄膜与单层PLA基环丙沙星抗菌薄膜相比，缓释抗菌时长大幅度提高且缓释抗菌性能稳定。
对比例3
本对比例采用靶材质量比为2:1:1的PU:石蜡:万古霉素制备薄膜，由于石蜡熔点较低，在50℃左右，可利用石蜡的蒸发携带万古沉积到基底，当石蜡与万古霉素质量比为1:1时石蜡含量较低，无法携带万古霉素一起成膜，只沉积得到石蜡，故需要提高石蜡的含量，采用实施例1中石蜡与万古霉素质量比为2:1。
对比例4
本对比例为PLA:环丙沙星/PU:环丙沙星双层复合薄膜。
(1)沉积PLA基环丙沙星抗菌薄膜
同实施例1中PLA基环丙沙星薄膜的制备。
(2)沉积PU基环丙沙星抗菌薄膜
取出(1)中用完的靶材，更换为质量比(PU:CIP＝1:1)的靶材于真空室中，用机械泵和分子泵分别抽真空，使真空度达到6×10-3～8×10-3Pa。打开沉积薄膜的电源，将工作电流调节在7～8A，工作电压控制在0.9～1.3kV，当膜厚测量仪上的膜厚开始增加时，薄膜开始沉积，膜厚不再变化时，即可说明沉积结束，此时将电流和电压缓慢归零，等待10min，使真空室的温度降为室温，关闭仪器电源，PLA:环丙沙星/PU:环丙沙星双层复合薄膜镀膜完成。
(3)复合膜的缓释
取10片复合膜，分别浸泡在生理盐水中1d、2d、3d、4d、5d、6d、7d、8d、9d、10d，取出晾干后做抗菌实验。
复合抗菌薄膜的缓释效果见图7，总体来说，抑菌圈呈现先减小后增大，再减小的趋势。第1天到第6天的抗菌环直径分别为12mm、13mm、11mm、10mm、9mm、和8mm，抑菌圈直径呈现减小趋势，这是由于随着浸泡时间的延长，环丙沙星药物分子释放到缓释液中，膜材料中的有效成分逐渐减少，因而抑菌圈直径呈减小趋势。从第6天到第7天是一个过渡的过程，抑菌圈由小增大，甚至比第一天的还要大，这是由于双层复合膜与单层复合膜的抑菌机理有所不同，第1天至第6天是的抑菌效果是上层的PU基环丙沙星薄膜的抗菌作用，从第7天起，上层的PU基抗菌薄膜缓释完全，第7天至第10天的抑菌效果是下层的PLA基环丙沙星薄膜的作用，第7天到第10天抑菌圈直径分别为15mm、13mm、11mm和8mm。
与单层膜相比，该双层复合薄膜具有较长的缓释抗菌效果，但是与PLA:环丙沙星/PU:石蜡:万古霉素双层抗菌复合薄膜相比，缓释抗菌效果更差，PLA:环丙沙星/PU:石蜡:万古霉素双层抗菌复合薄膜缓释性能稳定，经生理盐水浸泡后，抗菌性能并未折损严重，缓释7天内最小的抑菌圈直径为25mm，然而PLA:环丙沙星/PU:环丙沙星双层复合薄膜缓释抗菌中最大的抗菌环直径为15mm，远弱于PLA:环丙沙星/PU:石蜡:万古霉素双层抗菌复合薄膜的抗菌效果。

Claims (3)

1. PLA:环丙沙星/PU:石蜡:万古霉素双层复合薄膜的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，将环丙沙星粉末与聚乳酸混合均匀，置于反应腔室，调整靶材与洁净的基底的距离为20～30cm，抽真空，镀膜，设置工作电流在6～7A，工作电压在0.8～1.2kV，采用电子束沉积技术制备得到聚乳酸基环丙沙星抗菌薄膜，所述的聚乳酸与环丙沙星的质量比为1:1；
步骤2，将质量比石蜡：万古霉素=2:1的靶材原料经机械研磨并混合均匀后放入超声波雾化器中，压实靶材，同时将PU粉末放在真空室中，抽真空结束后，采用电子束沉积技术沉积PU薄膜，设置工作电流为7～8A，工作电压在0.9～1.3kV，同时开启超声波雾化器，在聚乳酸基环丙沙星抗菌薄膜上沉积PU:石蜡:万古霉素薄膜，当超声波雾化器中的靶材沉积完毕后，同时结束PU的沉积，得到PLA:环丙沙星/PU:石蜡:万古霉素双层复合薄膜，所述的PU、石蜡和万古霉素的质量比为2:2:1。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的基底选自钛片、硅片或KBr盐片。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法制得的PLA:环丙沙星/PU:石蜡:万古霉素双层复合薄膜。
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