CN112852204A - 一种可缓释长效抗菌涂层及其制备方法 - Google Patents

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CN112852204A CN202110048161.8A CN202110048161A CN112852204A CN 112852204 A CN112852204 A CN 112852204A CN 202110048161 A CN202110048161 A CN 202110048161A CN 112852204 A CN112852204 A CN 112852204A
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Abstract

本发明公开了一种可缓释长效抗菌涂层及其制备方法，属于功能高分子材料领域。本发明通过乳化法将抗菌化合物包入聚合物大分子微球，制备得到聚合物大分子/抗菌化合物复合微球；进而将其添加至醋酸乙烯‑乙烯共聚乳液(VAE)中分散，得到缓释的长效抗菌涂层。本发明制备的涂层材料在14天后都能保持良好的抗菌性能，极大的提高了抗菌材料的长效抗菌性。本发明制备得到的抗菌涂层在医疗器械、医用导管、包装材料等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种可缓释长效抗菌涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种可缓释长效抗菌涂层及其制备方法，属于功能高分子材料领域。
背景技术
医疗设备对于预防，诊断，治疗或减轻疾病和疾病至关重要。医疗器械的应用极大地提高了人类的医疗质量。然而，医疗设备因较长时间的使用而导致细菌在医疗设备表面形成生物膜，从而发生医疗保健相关感染(HAI)，对公众健康构成严重威胁。因此，迫切需要开发能防止医疗器械在留置生物体期间的细菌生长和生物膜形成的新型且高效的抗菌涂层，以避免感染。抗菌材料主要分为无机抗菌材料，有机抗菌材料和高分子抗菌材料。无机抗菌材料中最多的就是纳米抗菌材料，在已报道的纳米抗菌材料中，银纳米颗粒因优异的抗菌性而被用于各个领域。但银纳米颗粒易形成银离子而释放到空气或水中时，将经历化学和生化转化而对环境有害。高分子抗菌材料如壳聚糖、季铵盐聚合物和胍基聚合物等由于其无耐药性及良好的生物相容性而引起了研究者的广泛关注，但其抗菌性能相比无机材料较弱。有机抗菌材料主要有咪唑，季铵盐，酚类，双胍类等。其中，氯己定是一种广谱抗菌剂，具有优异的抗菌活性，但其与无机抗菌材料不同的是，不能持续发挥抗菌活性，需要在体系重不断补加氯己定才能发挥长时间的抗菌性能。已有研究报道将氯己定载入凝胶、纳米球等材料中，通过缓慢释放氯己定来实现长时间抗菌的效果。但目前的大多研究发现氯己定的释放速度仍较快或释放量较少，仍未能满足留置医疗设备在一两周的使用期间的抗菌效果。
发明内容
为了解决上述问题，本发明选用易溶解的抗菌化合物如醋酸氯己定为抗菌功能分子，为实现2周抗菌性，拟将抗菌化合物通过乳化交联法负载于聚合物大分子如壳聚糖(CS)纳米微球中，以得到聚合物大分子/抗菌化合物复合微球；再将聚合物大分子/抗菌化合物复合微球分散于VAE乳液中，制备均匀稳定的复合乳液，使其在橡胶管表面形成均匀涂层，使抗菌化合物从涂层中缓慢释放而发挥2周的抗菌性，有望降低生物医学设备相关感染(BAI)的发生。
本发明通过乳化法将抗菌化合物包入聚合物大分子微球，制备得到聚合物大分子/抗菌化合物复合微球；进而将其添加至醋酸乙烯-乙烯共聚乳液(VAE)中分散，得到缓释的长效抗菌涂层。本发明制备的涂层材料在14天后都能保持良好的抗菌性能，极大的提高了抗菌化合物的长效抗菌性。本发明制备得到的抗菌涂层在医疗器械、医用导管、包装材料等领域具有广阔的应用前景。
本发明的第一个目的是提供一种制备抗菌涂层的方法，包括如下步骤：
(1)将聚合物大分子、抗菌化合物溶解于醋酸水溶液中，获得混合水溶液；其中，聚合物大分子包括如下任意一种：壳聚糖、羧甲基壳聚糖、聚赖氨酸、聚精氨酸；
(2)以所得混合水溶液作为水相，将其缓慢加入含有乳化剂的油相中，混匀乳化，形成油包水乳液；
(3)在所得油包水乳液中滴加交联剂，交联形成聚合物壳层，得到聚合物大分子抗菌化合物复合微球；
(4)将步骤(3)所得聚合物大分子/抗菌化合物复合微球分散于醋酸乙烯-乙烯共聚乳液中，混匀，获得含有聚合物大分子/抗菌化合物复合微球的乳液；
(5)在基底上涂覆所得含有聚合物大分子/抗菌化合物复合微球的乳液，干燥成膜，即制得抗菌涂层。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中所述醋酸水溶液中醋酸质量分数为3％。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中所述聚合物大分子与抗菌化合物的质量比为50:20～80:20。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)中在40～50℃下将溶解聚合物大分子、抗菌化合物溶解于醋酸水溶液中。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤(1)中所述抗菌化合物包括：醋酸氯己定、季铵盐抗菌剂、卤胺盐抗菌剂、抗菌多肽、妥布霉素、左氧氟沙星等。
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中所述聚合物大分子相对醋酸水溶液的质量浓度为1.5％。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中所述油相与水相比为8:1～6:1。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中所述油相包括液体石蜡、甲苯、环己烷。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中乳化剂包括Span 80、Tween 80中任意一种或两种。优选Span 80、Tween 80复配作为乳化剂；复配质量比为Span 80：Tween 80＝8:3。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中，将乳化剂于40～50℃下先分散于油相中进行预乳化，形成含有乳化剂的油相。其中，预乳化的时间为0.5～2h。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中所述乳化时间为3～5h。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)中所述交联剂为戊二醛、京尼平。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)中所述交联剂相对乳液的质量浓度为20％-25％。优选22％。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)中所述交联的时间为4～6h。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)中还包括，交联获得聚合物大分子/抗菌化合物复合微球后，离心、收集固体，然后用无水乙醇、石油醚洗涤，丙酮分散、并进行浓度干燥，获得聚合物大分子/抗菌化合物复合微球。
在本发明的一种实施方式中，步骤(4)中，聚合物大分子/抗菌化合物复合微球相对醋酸乙烯-乙烯共聚乳液的质量百分含量为0.5％～4％。优选0.5％-2％；进一步优选2％。
在本发明的一种实施方式中，步骤(4)中，基底包括橡胶管、玻璃、石英、大理石。
在本发明的一种实施方式中，所述方法具体包括：
(1)将聚合物大分子与抗菌化合物在一定温度下溶解于3％醋酸溶液中作为水相；
(2)取液体石蜡于烧杯中作为油相，加入表面活性剂Span 80、Tween 80作为复配型乳化剂，一定温度下搅拌均匀；将含聚合物大分子与抗菌化合物的醋酸溶液缓慢逐滴加入上述搅拌均匀的液体石蜡中，一定温度乳化形成稳定的油包水乳液；
(3)将饱和的戊二醛-甲苯溶液分两次逐滴加入油包水乳液中，交联聚合物大分子壳层，得到聚合物大分子/抗菌化合物复合微球；
(4)将产物经离心纯化，弃去上层油相，得到的离心产物分别用无水乙醇、石油醚洗涤，分散后得到聚合物大分子/抗菌化合物复合微球；
(5)将聚合物大分子/抗菌化合物复合微球加入醋酸乙烯-乙烯共聚乳液中分散，得到含有聚合物大分子/抗菌化合物复合微球的乳液。
在本发明的一种实施方式中，步骤(3)中戊二醛-甲苯溶液的体积为10～20mL。
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中所述预乳化时间为0.5～2h，步骤(3)中所述乳化时间为3～5h，步骤(3)中所述交联固化时间为4～6h。
在本发明的一种实施方式中，步骤(4)中所述离心产物用无水乙醇洗涤1～2次，石油醚洗涤3次，再在丙酮中分散、除丙酮并干燥。
在本发明的一种实施方式中，步骤(5)中的含复合微球的乳液可以涂覆至橡胶管上形成稳定均匀涂层，抗菌化合物在涂层中缓慢释放。
在本发明的一种实施方式中，以聚合物大分子为壳聚糖、抗菌化合物为醋酸氯己定为例，相应的制备过程如下所示：
(1)将壳聚糖、醋酸氯己定溶解于醋酸水溶液中，获得混合水溶液；
(2)以所得混合水溶液作为水相，将其缓慢加入含有乳化剂的油相中，混匀乳化，形成油包水乳液；
(3)在所得油包水乳液中滴加交联剂，交联形成壳聚糖壳层，得到壳聚糖/醋酸氯己定复合微球，记为CS/CHXA；
(4)将步骤(3)所得壳聚糖/醋酸氯己定复合微球分散于醋酸乙烯-乙烯共聚乳液中，混匀，获得含有壳聚糖/醋酸氯己定复合微球的乳液，命名VAE/CS/CHXA-a％，其中a为复合微球的含量；
(5)在基底上涂覆所得含有壳聚糖/醋酸氯己定复合微球的乳液，干燥成膜，即制得氯己定抗菌涂层。
本发明的第二个目的是利用上述方法提供一种抗菌涂层。
本发明的第三个目的在于将上述抗菌涂层应用于医疗器械、医用耗材制备领域中。
本发明有益的技术效果在于：
本发明预先制备聚合物大分子/抗菌化合物复合微球，充分利用抗菌化合物的抗菌性能，通过将微球添加到VAE乳液中得到抗菌涂层。制得的抗菌涂层无溶剂排放，在14天后都能保持良好的抗菌性能，且实现高释放量(释放率可高达96％)。此外，本发明制备的复合微球可快速降解，对环境保护具有一定的促进作用。本发明在医学、日常生活等方面有重大应用价值。
本发明具体利用醋酸氯己定等抗菌化合物作为抗菌成分，壳聚糖等大分子作为功能单体，制得大分子包覆的复合微球，既可以提供良好的抗菌性，又减弱抗菌化合物的快速释放，制得的VAE涂层，具有良好的抗菌缓释性能。
附图说明
图1为实施例2中所得壳聚糖/醋酸氯己定复合微球的扫面电镜形貌图；
图2为实施例2中所得壳聚糖/醋酸氯己定复合微球的体外释放趋势图；
图3为实施例1-3中所得抗菌涂层的体外释放趋势图；
图4为实施例1-3中所得抗菌涂层的抗菌效果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。
本发明涉及的醋酸乙烯-乙烯共聚乳液来源于：惠州科维尔化工新材料。
涉及的释放效果的测定过程：将CHXA溶解于pH 7.4的缓冲溶液中，配成浓度为2～20mg/mL的标准溶液，用UV-vis检测其在254nm处的特征吸收峰，建立溶液浓度与吸光度间的线性回归方程，y＝0.0434x+0.0015(R2＝0.9999)。将微球或涂层浸泡在30mL pH＝7.4的PBS溶液中，于37℃水浴恒温振荡器中，每隔一段时间移取4mL上清液，并补充相同体积的PBS溶液。用UV-vis测定上清液在254nm处的吸光度，根据回归方程y＝0.0434x+0.0015(R2＝0.9999)，计算上清液中CHXA的含量，记为从微球中释放的CHXA量，每组样品平行测试3次。
涉及的抗菌效果的测定过程：将革兰氏阴性大肠杆菌(E.coli)和革兰氏阳性金黄色葡萄球(S.aureus)置于37℃的LB营养肉汤中培养12h，使细菌浓度达到108cfu/mL。再稀释至一定浓度后分别加入紫外线灭菌过的VAE/CS/CHXA-a％，继续培养3h。取培养好的菌液100μL，均匀涂布于固体培养基上，37℃培养24h，统计培养基上的菌落数，以未加入复合微球的涂层样品的菌液为对照组。抗菌率计算公式为：抗菌率＝(对照组菌落数-样品组菌落数)/对照组菌落数×100％。
实施例1
复合微球的制备：使用壳聚糖60mg、醋酸氯己定25mg、3％醋酸溶液4mL、液体石蜡32mL、tween80 1.301g、span 80 0.53g所述方法包括以下步骤：
(1)预乳化tween80、span 80和液体石蜡混合液0.5h，滴加4mL壳聚糖/醋酸氯己定溶液，40℃下乳化4h；
(2)滴加两次5mL饱和的戊二醛甲苯溶液(浓度为22％)进行交联，温度保持在40℃反应4h；交联结束后，7800rpm离心收集固体，用每20mL无水乙醇洗涤1～2次，每20mL石油醚洗涤3次，再在10mL丙酮中分散，除溶剂、干燥，获得壳聚糖/醋酸氯己定复合微球。
复合乳液的制备：使用VAE乳液4g、壳聚糖/醋酸氯己定复合微球0.02g，所述方法包括以下步骤：
(1)将0.02g壳聚糖/醋酸氯己定微球搅拌分散于4g VAE乳液中，混匀，获得含有壳聚糖/醋酸氯己定复合微球的乳液；
(2)橡胶管在乙醇，去离子水中超声清洗；然后在清洗后的橡胶管上浸涂所得含有壳聚糖/醋酸氯己定复合微球的乳液0.5h，室温下干燥成膜，即得抗菌涂层，记为VAE/CS/CHXA-0.5％。
实施例2
复合微球的制备：使用壳聚糖60mg、醋酸氯己定25mg、3％醋酸溶液4mL、液体石蜡32mL、tween80 1.301g、span 80 0.53g所述方法包括以下步骤：
(1)预乳化tween80、span 80和液体石蜡混合液0.5h，滴加4mL壳聚糖/醋酸氯己定溶液，40℃下乳化4h；
(2)滴加两次5mL饱和的戊二醛甲苯溶液(浓度为22％)进行交联，温度保持在40℃反应4h；交联结束后，7800rpm离心收集固体，用每20mL无水乙醇洗涤1～2次，每20mL石油醚洗涤3次，再在10mL丙酮中分散，除溶剂、干燥，获得壳聚糖/醋酸氯己定复合微球。
复合乳液的制备：使用VAE乳液4g、壳聚糖/醋酸氯己定复合微球0.08g，所述方法包括以下步骤：
(1)将0.08g壳聚糖/醋酸氯己定微球搅拌分散于4g VAE乳液中，混匀，获得含有壳聚糖/醋酸氯己定复合微球的乳液；
(2)橡胶管在乙醇，去离子水中超声清洗；然后在清洗后的橡胶管上浸涂所得含有壳聚糖/醋酸氯己定复合微球的乳液0.5h，室温下干燥成膜，即得抗菌涂层，记为VAE/CS/CHXA-2％。
实施例3
复合微球的制备：使用壳聚糖60mg、醋酸氯己定25mg、3％醋酸溶液4mL、液体石蜡32mL、tween80 1.301g、span 80 0.53g所述方法包括以下步骤：
(1)预乳化tween80、span 80和液体石蜡混合液0.5h，滴加4mL壳聚糖/醋酸氯己定溶液，40℃下乳化4h；
(2)滴加两次5mL饱和的戊二醛甲苯溶液(浓度为22％)进行交联，温度保持在40℃反应4h；交联结束后，7800rpm离心收集固体，用每20mL无水乙醇洗涤1～2次，每20mL石油醚洗涤3次，再在10mL丙酮中分散，除溶剂、干燥，获得壳聚糖/醋酸氯己定复合微球。
复合乳液的制备：使用VAE乳液4g、壳聚糖/醋酸氯己定复合微球0.16g，所述方法包括以下步骤：
(1)将0.16g壳聚糖/醋酸氯己定微球搅拌分散于4g VAE乳液中，混匀，获得含有壳聚糖/醋酸氯己定复合微球的乳液；
(2)橡胶管在乙醇，去离子水中超声清洗；然后在清洗后的橡胶管上浸涂所得含有壳聚糖/醋酸氯己定复合微球的乳液0.5h，室温下干燥成膜，即得抗菌涂层，记为VAE/CS/CHXA-4％。
测定实施例1-3所得抗菌涂层的抗菌效果，结果如表1、2所示。
表1实施例1-3所得不同微球含量的抗菌涂层的抗菌结果
Figure BDA0002898204950000061
其中，抗菌率是指培养3h测定的。
表2实施例1-3所得不同微球含量的抗菌涂层的释放结果
抗菌涂层 初始(24h)释放率 释放时长(h) 最终释放率
实施例1 62.6％ 336 96.3％
实施例2 30.4％ 336 88.3％
实施例3 18.9％ 336 60.9％
其中，释放率＝累积释放的醋酸氯己定量/醋酸氯己定总量*100％。
实施例4
复合微球的制备：使用壳聚糖60mg、醋酸氯己定12.5mg、3％醋酸溶液4mL、液体石蜡32mL、tween80 1.301g、span 80 0.53g所述方法包括以下步骤：
(1)预乳化tween80、span 80和液体石蜡混合液0.5h，滴加4mL壳聚糖/醋酸氯己定溶液，40℃下乳化4h；
(2)滴加两次5mL饱和的戊二醛甲苯溶液(浓度为22％)进行交联，温度保持在40℃反应4h；交联结束后，7800rpm离心收集固体，用每20mL无水乙醇洗涤1～2次，每20mL石油醚洗涤3次，再在10mL丙酮中分散，除溶剂、干燥，获得壳聚糖/醋酸氯己定复合微球。
复合乳液的制备：使用VAE乳液4g、壳聚糖/醋酸氯己定复合微球0.08g，所述方法包括以下步骤：
(1)将0.08g壳聚糖/醋酸氯己定微球搅拌分散于4g VAE乳液中，混匀，获得含有壳聚糖/醋酸氯己定复合微球的乳液；
(2)橡胶管在乙醇，去离子水中超声清洗；然后在清洗后的橡胶管上浸涂所得含有壳聚糖/醋酸氯己定复合微球的乳液0.5h，室温下干燥成膜，即得抗菌涂层，记为VAE/CS/CHXA-2％。
实施例5
复合微球的制备：使用壳聚糖60mg、醋酸氯己定50mg、3％醋酸溶液4mL、液体石蜡32mL、tween80 1.301g、span 80 0.53g所述方法包括以下步骤：
(1)预乳化tween80、span 80和液体石蜡混合液0.5h，滴加4mL壳聚糖/醋酸氯己定溶液，40℃下乳化4h；
(2)滴加两次5mL饱和的戊二醛甲苯溶液(浓度为22％)进行交联，温度保持在40℃反应4h；交联结束后，7800rpm离心收集固体，用每20mL无水乙醇洗涤1～2次，每20mL石油醚洗涤3次，再在10mL丙酮中分散，除溶剂、干燥，获得壳聚糖/醋酸氯己定复合微球。
复合乳液的制备：使用VAE乳液4g、壳聚糖/醋酸氯己定复合微球0.08g，所述方法包括以下步骤：
(1)将0.08g壳聚糖/醋酸氯己定微球搅拌分散于4g VAE乳液中，混匀，获得含有壳聚糖/醋酸氯己定复合微球的乳液；
(2)橡胶管在乙醇，去离子水中超声清洗；然后在清洗后的橡胶管上浸涂所得含有壳聚糖/醋酸氯己定复合微球的乳液0.5h，室温下干燥成膜，即得抗菌涂层，记为VAE/CS/CHXA-2％。
实施例1、4、5中不同醋酸氯己定用量的优化探究：
将CHXA溶解于0.1mol/L盐酸溶液中，配成浓度为2～20mg/mL的标准溶液，用UV-vis检测其在254nm处的特征吸收峰，建立溶液浓度与吸光度间的线性回归方程，y＝0.031x+0.0046(R2＝0.9999)。
准确称取8mg复合微球置于锥形瓶中，加入0.1mol/L盐酸溶液，室温连续振荡24h，以提取微球中的CHXA。取滤液在254nm处测定吸光度，通过回归方程y＝0.031x+0.0046(R2＝0.9999)按照公式(1)计算微球中CHXA的载药量。
载药量＝微球中所含药物量/微球总量×100％ (1)，
醋酸氯己定投入量会影响微球载药量，因此研究了醋酸氯己定投入量对微球载药量的影响。通过标准曲线y＝0.031x+0.0046(R2＝0.9999)计算CHXA的载药量，当醋酸氯己定含量分别为12.5、25、50mg时，微球对CHXA的载药量分别为1.65％、3.57％、4.92％，说明微球的载药量与CHXA的投入量成正比。
上述实施例只为体现出发明人的创造构思，基于本发明创造构思下任何形式的演变和改进都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种制备抗菌涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将聚合物大分子、抗菌化合物溶解于醋酸水溶液中，获得混合水溶液；其中，聚合物大分子包括如下任意一种：壳聚糖、羧甲基壳聚糖、聚赖氨酸、聚精氨酸；
(2)以所得混合水溶液作为水相，将其缓慢加入含有乳化剂的油相中，混匀乳化，形成油包水乳液；
(3)在所得油包水乳液中滴加交联剂，交联形成聚合物壳层，得到聚合物大分子抗菌化合物复合微球；
(4)将步骤(3)所得聚合物大分子/抗菌化合物复合微球分散于醋酸乙烯-乙烯共聚乳液中，混匀，获得含有聚合物大分子/抗菌化合物复合微球的乳液；
(5)在基底上涂覆所得含有聚合物大分子/抗菌化合物复合微球的乳液，干燥成膜，即制得抗菌涂层。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述聚合物大分子与抗菌化合物的质量比为50:20～80:20。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，聚合物大分子/抗菌化合物复合微球相对醋酸乙烯-乙烯共聚乳液的质量百分含量为0.5％～4％。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中所述抗菌化合物包括：醋酸氯己定、季铵盐抗菌剂、卤胺盐抗菌剂、抗菌多肽、妥布霉素、左氧氟沙星。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述聚合物大分子相对醋酸水溶液的质量浓度为1.5％。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述油相与水相比为8:1～6:1。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中乳化剂包括Span 80、Tween 80中任意一种或两种。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述交联剂为戊二醛、京尼平。
9.权利要求1-8任一项所述方法制备得到的一种抗菌涂层。
10.权利要求9所述的抗菌涂层在医疗器械、医用耗材制备领域中的应用。
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