CN113462254B - 一种低血液粘附抗菌琼脂糖基涂层制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于新型高分子功能材料领域，公开了一种低血液粘附抗菌的琼脂糖基涂层制备方法。采用简单的两步法，首先利用过量的多官能度氨基树脂与聚二甲基硅氧烷反应制备前体，然后将其与琼脂糖的羟基反应制备涂层。琼脂糖和聚二甲基硅氧烷均生物相容性好且无毒害，此外琼脂糖可再生可降解。通过强交联实现琼脂糖和聚二甲基硅氧烷的结合以抑制化学重构，同时聚二甲基硅氧烷降低表面能，使得涂层具有优异的防液体粘附性能，有望在生物及医用器械防污、抗菌及抗血液粘附领域中应用。

Description

一种低血液粘附抗菌琼脂糖基涂层制备方法

技术领域

本发明属于新型高分子功能材料领域，更具体地，涉及一种低血液粘附抗菌琼脂糖基涂层制备方法。

背景技术

近年来，不沾液体的低粘附涂层在防污自清洁、液体输送和减阻等领域具有广阔的应用前景。这类材料的低液体粘附性能受材料表面的形貌以及表面化学组成影响。此外，在医疗领域上对防粘附材料的需求更是很高，其中医疗器械上的生物组织的粘接，血液粘附问题妨碍了很多材料应用在此领域。特别地，针对医疗器械，此类材料同时也应具有一定的生物相容性。然而，目前来看，现有的低粘附涂层制备条件复杂且具有一定的生物毒性，制约着该类材料的发展和应用。因此提出一种简单高效且具有生物相容性的低血液粘附涂层，亟待解决。

琼脂糖作为是一种天然的线性多聚物，对人体无毒，具有良好的生物相容性，，可作为一种生物涂层的理想平台材料。防粘附材料主要根据表面平整度分为具有微纳结构的粗糙表面材料(仿生荷叶)，以及包括单分子层、SLIPs(仿生猪笼草)和聚合物涂层等光滑表面材料。其中微纳结构的粗糙表面材料、单分子层防防粘附材料存在不耐磨等问题，而SLIPs亦存在润滑液体组分流失问题。因此表面光滑耐磨且功能组分不损耗的防粘附材料是发展趋势。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具生物相容性，制备流程简单的低液体粘附涂层。采用简单的是两步法制备涂层，首先单羟基硅油和氨基树脂进行反应，然后加入具有良好的生物相容性天然线性多聚体琼脂糖进行交联，实现琼脂糖的交联和键合功能单体。交联赋予涂层强度的同时在表面形成微纳结构，减少外界液体和涂层界面的接触，降低界面的相互作用；低表面能化合物有利于调控体系的表面能，两种机制高效协调促进涂层对大部分液体表现出低粘附性，并具有良好的防血液粘附性能。

本发明提供一种低血液粘附抗菌琼脂糖基涂层制备方法，包括以下步骤：

(1)将交联剂、低表面能化合物、催化剂、分散于酮类溶剂中，反应后得到反应前体；

(2)向步骤(1)中的反应前体中加入琼脂糖溶液，然后添加酰胺类溶剂搅拌均匀后得到预聚体溶液；

(3)最后取预聚体溶液在基材表面进行涂膜，干燥后得到低血液粘附抗菌琼脂糖基涂层。

步骤(1)所述交联剂选自三聚氰胺甲醚树脂、三聚氰胺甲醛树脂等多种氨基树脂至少一种。

步骤(1)所述低表面能化合物为有机硅化合物，选自分子量为1000、3000、5000的单羟基单封端聚二甲基硅氧烷(PDMS)至少一种。

步骤(1)所述交联剂与低表面能化合物的质量比为60～65:1～5。

步骤(1)所述催化剂为对甲苯磺酸。所述酮类溶剂为丙酮和丁酮等至少一种；所述低表面能化合物与酮类溶剂的质量比为0.02～0.2：6，优选为0.024～0.11：6。

步骤(1)所述反应为在40～60℃反应12～16h。

步骤(2)所述琼脂糖溶液的质量分数为2～5％，选用极性溶剂配制，优选为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)等中的至少一种。

步骤(2)所述琼脂糖与步骤(1)中交联剂的质量比为25～30：60～65。

步骤(2)所述酰胺类溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)等中的至少一种。

步骤(2)所述预聚体溶液的质量分数为5～10％。

步骤(3)所述基材为玻璃片、马口铁、PET或316不锈钢。

步骤(3)所述干燥为在100～140℃下烘干4～6h。

一种低血液粘附抗菌琼脂糖基涂层，通过上述方法制备得到。

所述低血液粘附抗菌琼脂糖基涂层在制备具有防水、油以及防血液黏附功能材料中的应用。所述涂层还具有抗菌黏附性能。

本发明针对具有生物相容性的天然材料琼脂糖涂层，在涂层体系键合功能单体，调控涂层表面的化学组成，并采用有效的交联，以抑制液体接触时的化学重构同时增强涂层的刚性，抑制功能单体在涂层表面的化学重构实现涂层低粘附。交联和表面化学调控高效协同可增强涂层的低粘附作用，运用上述两种机制所构建的低粘附涂层，在医疗器械的应用将极具研究和发展前景。

与现有技术相比，本发明制备的低血液粘附抗菌琼脂糖基涂层。具有如下技术效果：

(1)低血液粘附抗菌琼脂糖基涂层中使用的多元醇为琼脂糖，其是一种可再生多元醇，具有可降解、产量大、环保等特点。

(2)低血液粘附抗菌琼脂糖基涂层具有优异的防水油黏附的性能，防涂鸦性能。

(3)低血液粘附抗菌琼脂糖基涂层具有优异的耐磨损性能。

(4)低血液粘附抗菌琼脂糖基涂层与基材具有良好的基材附着性。

(5)低血液粘附抗菌琼脂糖基涂层具有优异的透明度。

(6)低血液粘附抗菌琼脂糖基涂层具有良好的防细菌粘附性能和防血液粘附性能。

(7)低血液粘附抗菌琼脂糖基涂层制备方法简单，能耗低，适用于工业化生产。

附图说明

图1为低血液粘附抗菌琼脂糖基涂层制备流程简图。

图2为实施例1～4水的接触角。

图3为实施例1～4水的滑动角图。

图4为实施例1的水和各种油的滑动角图。

图5为实施例1～4的防细菌粘附性能图。

图6为实施例1的涂层防血液粘附性能展示图。

图7为实施例1的防涂鸦性能展示图。

图8为实施例1的涂层透明度测试结果。

图9为实施例1牛血清蛋白和猪血的接触角及滑动角图。

图10为实施例1的耐磨擦性能测试结果。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，并结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

本发明的低血液粘附抗菌琼脂糖基涂层由琼脂糖、交联剂、低表面能化合物、催化剂制成，各原料所用具体物质以及用量详见表1～4。

本发明的低血液粘附抗菌琼脂糖基涂层制备如下：

(1)交联剂，优选甲醚化六羟甲基三聚氰胺树脂(MF900)；有机硅化合物，优选单羟基封端硅油；催化剂，对甲苯磺酸；酮类溶剂，优选丙酮，将交联剂、有机硅化合物、催化剂和酮类溶剂混合并反应12～24h；

具体地，按照表1配比将交联剂、有机硅化合物、催化剂(对甲苯磺酸)、溶剂加入三口烧瓶，混合均匀。将反应体系温度升至40-60℃，优选55℃，恒温反应12h形成反应前体。其中有机硅化合物优选为3％，为探究有机硅化合物添加量关系，作为对比，表2和3分别添加1％和5％低表面能化合物，制成涂层。为探究有机硅化合物分子量关系，其中3％单羟基单封端聚二甲基硅氧烷优选为分子量5000(PDMS-5000)，作为对比，表4分子量1000的单羟基单封端聚二甲基硅氧烷(PDMS-1000)，制成涂层。

(2)随后继续加入质量分数2～5％琼脂糖溶液(以DMF溶剂配制)，优选5％，并通过添加酰胺溶剂(DMF)，将固含调至5％～10％搅拌均匀后得到预聚体溶液。(表1-4中所述DMF的量为琼脂糖溶液中的溶剂和后续所加酰胺溶剂的总量，使得预聚体溶液的固含量为5％～10％。)

(3)最后取预聚体溶液在马口铁、玻璃片、PET、316不锈钢进行涂布，并在120℃下烘干4h得到抗菌低粘附的低血液粘附抗菌琼脂糖基涂层。

表1.实施例1低血液粘附抗菌的琼脂糖基涂层原料组成

表2.实施例2低血液粘附抗菌的琼脂糖基涂层原料组成

表3.实施例3低血液粘附抗菌的琼脂糖基涂层原料组成

表4.实施例4低血液粘附抗菌的琼脂糖基涂层原料组成

检测例

1.图1为低血液粘附抗菌琼脂糖基涂层制备流程简图。

2.实施例1～4水的接触角及滑动角图。

图2为实施例1～4水的接触角，图3为实施例1～4不同原料组成的涂层的水滑动角测试，接触角所需测试液体为2μL，滑动角所需测试液体为50μL。通过对比实施例1～3可以看出，随着PDMS添加量的增加(1～3％)，涂层的水接触角增加，滑动角降低。当PDMS用量提高5％后水接触角和滑动角变化不大。原因是是聚二甲基硅氧烷的主链被甲基基团屏蔽，聚合物链不能紧密聚集在一起，从而降低了范德华力，实现了低液体粘附行为。因而随着PDMS用量的增加，其在表面层的密度增加，防液体粘附性能提高。密度达到最大后继续增加PDMS用量其防液体粘附性能变化不大，反而因PDMS链在聚合物体系中的相容性差容易形成宏观分相。

通过对比实施例1和4可以看出，随着PDMS分子量的增大，涂层的水接触角增加，滑动角降低。这趋势可以归因于PDMS随着其分子量的增加而增加了其在涂层表面的覆盖，从而提高其防液体粘附性能。实施例1的防液体粘附效果最佳。

3.实施例1的水和各种油的滑动角图

图4为实施例1的水和各种油的滑动角图。从图可看出，随着液体粘度的变小，滑动角也变小。PDMS混溶的液体通常表现出较低的滑动角，因为这些液体使表面的PDMS层溶胀伸展且黏度变低，比与PDMS不混溶的测试液体能使涂层更具类液态，测试液与更类似液体的PDMS动态层之间的摩擦系数更小。

4.实施例1～4的防细菌粘附性能图

图5为实施例1～4和空白玻璃基材的测试结果。四个1cm×1cm的样品分别用1mL大肠杆菌菌液(菌液浓度：10⁶CFU/mL)在装有PBS溶液的试管接种培养四小时后，用2mL PBS溶液冲洗已接种样品表面残余菌液。然后将样品放入1mL无菌PBS溶液中，在40kHz下超声3分钟后取0.1mL溶液，在培养基中恒温37℃培养12h，以探究样品的抗细菌粘附能力。

通过统计培养基表面大肠杆菌数，对比可知，涂层具有良好的抗菌性能，且实施例1效果最佳。这是归因于涂层具有低表面能且自身为强交联结构，细菌表面难以和表面发生相互作用，从而降低细菌粘附。

5.实施例1的涂层防血液粘附性能展示图

图6为实施例1所制得涂层的防血液粘附性能展示，从图可看出，将涂覆的玻璃片倾斜摆放，使用滴管将EDTA抗凝血管内的猪血滴在涂覆的玻璃片表面，从血液滑落的痕迹可看出，涂覆的玻璃片表面血液可以滑落，仅残留一些痕迹，表明涂层具有良好的防血液粘附性能。

6.实施例1的防涂鸦性能展示图

图7为实施例1所制得涂层的防涂鸦性能展示，从图可看出，油性记号笔可在空白玻璃片表面轻易涂鸦且并不能使用纸巾擦掉，而涂覆的玻璃片表面，得益于涂层的高交联密度及低表面能，油性记号笔的笔迹收缩成离散的墨滴，而且这些明显的收缩笔迹能用纸巾轻易擦拭去除，表现出优异的防涂鸦性能。

7.实施例1的涂层透明度测试结果

由于PDMS链段在体系中的相容性差异，随着PDMS的加入，固化后的涂层在透明度方面会受到一定的影响。如图8所示，对于PDMS添加量为3％的涂层，当其厚度为20μm时，测得的涂层在500nm的透光率为85％；而未涂有涂层的玻璃片，测得的透光率为89％。此外，由于涂层表面非常平整，具有较小的粗糙度，因此均具有较高的透明度。

8.实施例1牛血清蛋白和猪血的接触角及滑动角图

图9为实施例1所制得涂层的牛血清蛋白和猪血的接触角及滑动角图，从图9可看出，可以清晰看到低血液粘附抗菌琼脂糖基涂层具有优异的防蛋白和防血液的性能，其中牛血清蛋白和猪血的接触角大于90°，滑动角低于35°，表明该涂层可在医用器械防污及抗血液粘附领域中应用。

9.实施例1的耐磨擦性能测试结果

图10为实施例1所制得涂层的耐磨擦性能测试结果，由于这种涂层的防液体粘附原理不依赖于任何微/纳米尺度的粗糙度，而是基于琼脂糖的稳健的多交联网络所形成，因此表现出了出色的耐磨性。从图10可看出，即使在18kPa载荷下，在棉布上进行500次磨损循环后，油墨在涂层表面仍然出现明显收缩，表明涂层具有出色的耐磨擦性能。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低血液粘附抗菌琼脂糖基涂层制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1) 将交联剂、低表面能化合物、催化剂、分散于酮类溶剂中，反应后得到反应前体；

(2) 向步骤（1）中的反应前体中加入琼脂糖溶液，然后添加酰胺类溶剂搅拌均匀后得到预聚体溶液；

(3) 最后取预聚体溶液在基材表面进行涂膜，干燥后得到低血液粘附抗菌琼脂糖基涂层；

步骤（1）所述交联剂选自三聚氰胺甲醚树脂和三聚氰胺甲醛树脂中的至少一种；

步骤（1）所述低表面能化合物选自分子量为1000、3000、5000的单羟基单封端聚二甲基硅氧烷中的至少一种；

步骤（1）所述催化剂为对甲苯磺酸；

步骤（1）所述交联剂与低表面能化合物的质量比为60~65:1~5；

步骤（2）所述琼脂糖与步骤（1）中交联剂的质量比为25~30：60~65。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述酮类溶剂为丙酮和丁酮中的至少一种；所述低表面能化合物与酮类溶剂的质量比为0.02~0.2：6。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）所述琼脂糖溶液的质量分数为2~5%；

步骤（2）所述琼脂糖溶液选用极性溶剂配制，所述极性溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺中的至少一种；

步骤（2）所述酰胺类溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）所述预聚体溶液的质量分数为5~10 %。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述反应为在40~60℃反应12~16h；步骤（3）所述基材为玻璃片、马口铁、PET或316不锈钢。

6.一种低血液粘附抗菌琼脂糖基涂层，通过权利要求1~5任一项所述方法制备得到。

7.根据权利要求6所述的低血液粘附抗菌琼脂糖基涂层在制备具有防水、防油以及防血液黏附功能材料中的应用。

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