CN114144208B - 包含聚合物基质与对齐的纳米级薄片或小片的抗菌制品 - Google Patents

Abstract

公开了一种具有抗菌表面的制品，其中该制品包括基底，该基底包括聚合物基质和包含纳米级薄片或小片的填充材料。该制品包括抗菌表面，该抗菌表面具有布置成基本上彼此对齐并且从所述表面延伸出0.5微米至30微米范围内的长度的纳米级薄片或小片。通过将聚合物基质材料和包含纳米级薄片或小片的填充材料的混合物挤压通过模头同时加热至高于聚合物基质材料的熔融温度的温度来处理该混合物从而产生抗菌表面。因此，纳米级薄片或小片变得对齐，其纵向方向在基本上相同的方向上取向。然后对基本上垂直于纳米级薄片或小片的纵向方向取向的经处理的混合物的表面进行蚀刻或烧蚀以部分暴露纳米级薄片或小片，从而使表面具有抗菌性。

Description

包含聚合物基质与对齐的纳米级薄片或小片的抗菌制品

技术领域

本发明整体涉及一种抗菌装置或制品，其包括设置在该装置/制品的表面或表面的一部分上的抗菌表面。本发明还涉及一种用于制备此类抗菌表面的方法。

背景技术

细菌感染在社会中是一个大问题，并且在很多情况下普遍需要减少细菌的数量，例如自来水、医疗装置等。

减少细菌的一种方式是对设备进行清洁和消毒，并以清洁方式使用产品，从而避免污染。然而，尽管遵守无菌指南等，但使用例如医疗装置，特别是将医疗装置引入天然和人造身体开口中意味着细菌污染的风险。例如，导尿管的插入和维持带来了与导管相关感染相关的问题。当将诸如导管的医疗装置引入人体腔内时，人体正常的防御屏障可能会被穿透，从而导致引入细菌、真菌、病毒或组织样或多个有组织的细胞。例如，尿路感染(UTI)是与使用导尿管相关的问题，尤其是对于留置导尿管，即所谓的Foley导尿管，而且对于间歇使用的导尿管也是如此。据估计，几乎四分之一的住院脊髓损伤患者在其住院期间会出现症状性UTI。革兰氏阴性杆菌占UTI病例的约60％至70％，肠球菌约占25％，并且念珠菌属占约10％。还公知，将间歇性导尿管作为日常例程的人通常会出现症状性UTI的问题。

在医疗冲洗装置中也存在类似的问题，诸如用于肛门冲洗、阴道冲洗等的装置。

因此，清洁、消毒等对于减少细菌的数量是有效的，但通常是不够的。

此外，公知，使用抗菌剂/化合物来杀死细菌，诸如抗生素等，其杀死或抑制细菌的生长。抗菌剂可直接施用于人和动物，或者被布置在医疗装置和其它装置上的涂层中。然而，使用此类抗菌剂/化合物具有若干负面影响，诸如细菌耐药性的产生和不希望的有害副作用。因此，一般需要将抗菌剂/化合物，特别是抗生素药物的使用限制在真正需要的情况下。此外，由于细菌耐药性的出现增加，许多已知抗菌剂的抗菌效果正在下降。

在同一申请人的US 2018/320002中，示出了通过在站立位置的基底上提供埃级薄片，诸如石墨烯或石墨薄片，并且通过薄片的边缘侧附接到表面来提供非常有效的抗菌表面。因此，对原核细胞获得了巨大的杀菌效果，但不会伤害真核细胞，并且假定这是由于薄片能够穿透到较小原核细胞中而不是进入较大真核细胞的能力。然而，遗憾的是，这种抗菌表面的制备既麻烦又昂贵，并且无法规模化进行工业制造。

因此，需要杀死细菌和/或抑制细菌生长的新的改进方式。具体地，需要具有足够杀菌效果并且其可成本高效地产生并且生产过程可扩展以允许工业生产的抗菌涂层或表面。

发明内容

本发明的一般目的是满足上述需要并缓解上述问题。

该目的通过根据所附权利要求书的抗菌制品和方法来实现。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于制备抗菌表面的方法，该方法包括以下步骤：

提供聚合物基质材料；

提供包含纳米级薄片或小片的填充材料；

通过将所述聚合物基质材料和所述填充材料的混合物挤压通过模头同时加热至高于所述聚合物基质材料的熔融温度的温度来处理所述混合物，使得所述纳米级薄片或小片变得对齐，其中其纵向方向在基本上相同的方向上取向；

提供经处理的混合物的表面，该表面基本上垂直于纳米级薄片或小片的纵向方向取向；

对表面进行蚀刻或烧蚀以部分暴露纳米级薄片或小片，从而使表面具有抗菌性。

在本申请的上下文中，“抗菌”用于指示破坏并抑制细菌生长的能力。然而，抗菌表面还可具有破坏并抑制其它微生物(诸如某些真菌、寄生虫和病毒)的生长的能力。因此，该表面也可称为“抗微生物的”。

本发明基于以下认识：按抗微生物应用所需的规模工业制造无缺陷的单层石墨烯或氧化石墨烯目前是不可行的，因为从本体石墨生产这种纯材料的化学和物理途径太耗时、费力，而且成本高。然而，本发明人已经认识到，可以确保类似的抗微生物效果的方式处理相当便宜且易于大量获得的纳米级薄片或小片，诸如石墨纳米小片(GNP)。具体地，已经发现聚合物内石墨纳米小片的受控取向是产生抗菌表面的一种相对容易且成本有效的方法，并且这些抗菌表面已被证明在防止病原菌定植方面非常有效。

在本申请中，“纳米级薄片”和“纳米级小片”是指薄片或小片，即均匀的一片材料或一个维度-厚度-基本上小于其它两个维度(长度和高度)并且其中厚度为纳米级或纳米尺寸即在0.01nm至100nm之间并且优选地在0.1nm至50nm之间的不均匀的一片材料。在优选的实施方案中，薄片或小片具有在0.01nm至20nm范围内、并且优选地在0.1nm至15nm范围内、并且更优选在0.5nm至10nm范围内、并且最优选地在1nm至5nm范围内的平均厚度。薄片不一定是平坦的，而是呈现板状形式以及各种弯曲形状。

在一个实施方案中，纳米级薄片或小片呈所谓的GNP、石墨纳米小片的形式。GNP是半金属石墨晶体，其厚度通常为1nm至5nm，并且以纳米薄片的形式存在。薄片通常不是平坦的，而是具有类似于花瓣的扭曲形状。薄片的直径优选地在几微米的范围内，并且它们通常具有与石墨相似的面间距。

通常，纳米级薄片或小片优选地具有在5微米至50微米范围内、并且优选地在10微米至40微米范围内、并且更优选地在15微米至35微米范围内、并且最优选地在20微米至30微米范围内的平均长度。

纳米级薄片或小片优选地具有0.01nm至20nm范围内、并且优选地在0.1nm至15nm范围内、并且更优选地在0.5nm至10nm范围内、并且最优选地在1nm至5nm范围内的平均厚度。

纳米级薄片或小片优选地具有在1微米至30微米范围内、并且优选地在1微米至20微米范围内、并且更优选地在2微米至15微米范围内、并且最优选地在3微米至15微米范围内的平均宽度。

纳米级薄片或小片优选地由石墨烯或石墨制成。优选地，薄片/小片基本上是纯的石墨烯和/或石墨。然而，使用掺杂材料也是可行的。例如，石墨烯可掺杂有硼、氮等，或者以其它本身已知的方式进行改性。然而，也可使用其它2D材料，诸如石墨炔、锗烯、硅酮、磷烯、氮化硼等。所有薄片优选地是一种材料。然而，由两种或更多种材料制成的薄片的组合也是可行的。

除了纳米级薄片或小片之外，填充材料还可包含附加成分。然而，优选地，填充材料基本上仅包含纳米级薄片或小片，并且优选地由纳米级薄片或小片组成。

在优选的实施方案中，填充材料包含至少90重量％的碳、并且优选地至少95重量％的碳、并且更优选地至少99重量％的碳、并且最优选地至少99.9重量％的碳。

通过对齐在处理中获得的纳米级薄片或小片，并且通过后续对表面的蚀刻/烧蚀，纳米级薄片或小片从表面延伸出来。因此，小片/薄片在此包括一个与聚合物基质相距一定距离的自由端，以及一个嵌入聚合物基质中的端部。薄片/小片由此通过聚合物基质材料固定到表面。

薄片/小片优选地布置成纵向方向基本上垂直于表面。然而，薄片/小片的取向可替代地略微弯曲或倾斜。优选地，薄片/小片的纵向方向相对于表面成在60度至120度范围内、并且优选地在70度至110度范围内、并且更优选地在80度至100度范围内、并且最优选地在85度至95度范围内的角度。

基于聚合物并且优选地热塑性聚合物作为基质的纳米复合材料具有使用大规模生产技术诸如挤出和注塑成型技术进行加工的优点，这些技术广泛用于生物医疗装置行业。其它优点包括耐化学性和灭菌相容性，并且由于热塑性聚合物可重新熔融和重新成形的事实，因此可以回收利用。

聚合物基质优选地为热塑性聚合物，诸如聚碳酸酯(PC)，聚氯乙烯(PVC)，聚氨酯，包含乙烯的共聚物，诸如聚乙烯共乙酸酯，以及聚烯烃基弹性体，诸如聚丙烯(PP)、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)和聚乙烯(PE)。优选地，热塑性聚合物为低密度聚乙烯(LDPE)、低密度聚丁烯(LDBE)和/或聚丙烯(PP)。

在优选的实施方案中，聚合物基质由LDPE形成。LDPE为长链支化聚乙烯热塑性塑料。LDPE对化学物质(除了卤化烃外)具有极佳的耐化学品性，并且在室温下不反应，除非在存在强氧化剂的情况下。LDPE可承受高达90℃的温度。已经表明，挤出模头内的剪切流可用于在流动方向上诱导强取向和均匀分布。这是在低至0.02l/s的剪切速率和低挤出温度下获得的，仅略高于LDPE的熔点。

发明人已经发现，纳米级薄片/小片(诸如石墨纳米小片(GNP))的受控取向在本体聚合物纳米复合材料中可用于产生非常良好的抗微生物效果，并且以非常可控且成本高效的方式。

混合物的处理，提供纳米级薄片或小片的取向和对齐优选地是挤出工艺和注塑成型工艺中的至少一种。在一个实施方案中，该处理为挤出工艺。

优选地，该处理被布置用于提供聚合物基质材料和填充材料的均质化混合物。

填充材料和聚合物基质材料的混合物优选地包括3重量％或更多的填充材料、并且优选地5重量％或更多、并且更优选地10重量％或更多、并且最优选地15重量％或更多。优选地，填充材料的量在3重量％至40重量％范围内、并且优选地在5重量％至30重量％范围内、并且更优选地在6重量％至25重量％范围内、并且更优选地在7.5重量％至20重量％范围内、并且最优选地在10重量％至15重量％范围内。然而，只要实现薄片/小片的适当取向，上限就不太重要了，并且也可使用更大量的填料。

提供经处理的混合物的表面的步骤优选地包括切割经处理的材料，并且优选地沿相对于通过模头的流动方向的基本上横向或纵向方向进行切割。

优选地进行表面的蚀刻/烧蚀，使得纳米级薄片或小片从表面的聚合物基质材料平均延伸出0.5微米至30微米范围内、并且优选地1微米至25微米范围内、并且更优选地2微米至20微米范围内、并且最优选地3微米至15微米范围内的长度。

优选地，进行表面的蚀刻/烧蚀，使得纳米级薄片或小片从表面的聚合物基质材料平均延伸出薄片/小片的长度的至少30％、并且优选地至少40％、并且更优选地至少50％的长度。

任何相邻纳米级薄片之间的距离可小于10μm、并且优选地小于5μm、并且最优选地小于1μm。由于这与原核细胞的大小相对应，因此杀伤效果特此变得更有效。

任何相邻纳米级薄片之间的距离可大于0.01μm、并且优选地大于0.05μm、并且最优选地大于0.1μm。由于在薄片被布置过密集的情况下可能会降低杀灭效果，因此通常优选较不密集的布置。

在实验中，已经表明，例如GNP-LDPE复合材料可在受控条件下挤出，以获得聚合物基质(LDPE)内GNP薄片的取向。挤出后，对纳米复合材料样品进行蚀刻/烧蚀以洗掉不需要的聚合物迹线并暴露取向的GNP薄片的边缘。这导致GNP薄片在蚀刻/烧蚀的挤出纳米复合材料样品表面上的浓度依赖性分布。评估了GNP-LDPE复合材料对机会性细菌病原体、大肠杆菌和表皮葡萄球菌的抗微生物活性。抗微生物评估的结果表明，挤出的GNP-LDPE复合材料上的GNP纳米薄片与细菌细胞膜发生物理相互作用，从而破坏细胞。观察到的杀菌活性取决于复合表面上取向的GNP薄片的密度。此外，具有较高密度的GNP薄片(15％及以上)的样品防止细菌定植。这些结果表明，GNP-LDPE复合材料可用于例如具有杀菌活性的基于聚合物的生物医疗装置中以减轻装置相关感染。由于源材料的低成本和制造例如GNP-LDPE复合材料的工业上可扩展方法，这些生物医疗装置将在全球市场上具有竞争力。

获得的杀菌效果类似于US 2018/320002中讨论的杀菌效果，但令人惊讶的是甚至进一步提高。

抗菌效果是机械的。不希望受任何理论束缚，假设纳米级薄片的尖锐边缘能够通过形成强范德华引力来接触并穿透膜脂质层。这导致膜破裂，因为膜脂质的脂质疏水性尾被强疏水相互作用吸引在纳米级薄片表面上展开。

不希望受任何理论束缚，假设真核细胞没有以相同方式被杀死的原因是由于与原核细胞相比真核细胞的尺寸更大，和/或真核细胞的壁/膜更厚。真核细胞的大小一般是原核细胞的10倍左右。原核细胞通常具有1μm至10μm内的尺寸。大多数细菌在至少一个维度上小于1μm，但在长度方向上可以是细长的并且稍微长达10μm。细胞膜的厚度在各种细胞之间稍微变化，但对于革兰氏阴性细菌通常为约10nm，但对于革兰氏阳性细菌，可为20nm至80nm，如果包括相当厚的肽聚糖层的话。真核细胞通常具有10μm至100μm内的尺寸。

石墨烯和薄石墨，例如纳米石墨与许多其它2D材料相似，通常认为与例如疏水性较差甚至亲水性的氧化石墨烯和氧化石墨相比，是疏水性的。假定纳米级薄片的这种疏水性性质对杀死细菌具有有益作用。

由于细菌的杀死是机械的，并且附着在表面上，因此防止了提供抗菌作用的已知方法的许多缺点，诸如使用抗生素。例如没有细菌耐药性和有害副作用的风险。

由于纳米级薄片/小片能有效杀死和抑制原核细胞(即细菌等)的生长，并且不杀死真核细胞，所以涂层/表面也可与人类和动物的皮肤和组织直接接触使用，而无需任何负面或不利的影响。

至少一些纳米级薄片/小片并且优选地所有纳米级薄片/小片的厚度可朝着与嵌入聚合物基质中的边缘侧相对的自由端逐渐变细。附加地或替代地，至少一些纳米级薄片并且优选地所有纳米级薄片的宽度可朝着与附接的边缘侧相对的自由端逐渐变细。因此，对表面的附着可能更强，并且细菌的杀灭变得更有效。

根据本发明的另一方面，提供了一种具有抗菌表面的制品，其中该制品包括基底，该基底包括聚合物基质和包含纳米级薄片或小片的填充材料，其中所述制品包括抗菌表面，该抗菌表面具有基本上彼此对齐并且从所述表面延伸出0.5微米至30微米范围内的长度的纳米级薄片或小片。优选地，纳米级薄片或小片从表面延伸出1微米至25微米范围内、并且更优选地2微米至20微米范围内、并且最优选地3微米至15微米范围内的长度。

该制品可作为涂层提供，并且优选地作为医疗装置上的涂层，诸如导管，并且优选地导尿管。

因此，可获得如上文关于本发明的其它方面所讨论的类似的特性和优点。

参考下文所述的实施方案，本发明构思的这些和其他方面将显而易见并得以阐明。

本发明的抗菌涂层/表面可用于许多不同类型的装置。

在一个实施方案中，该装置可为医疗装置，诸如导管、医疗管、冲洗装置或植入物。特别地，抗菌涂层/表面非常适用于多次使用的医疗装置(诸如冲洗装置)和/或长时间使用的医疗装置(诸如留置导尿管，即所谓的Foley导管)。在导管中，抗菌涂层/表面可布置在内表面上、内腔内部和/或外表面上。在冲洗装置中，抗菌涂层/表面可布置在探针内部和/或外部，但可附加地或替代地设置在装置的管中内部提供，例如将冲洗液体引导到探针以用于冲洗的管。在植入物中，涂层/表面可例如布置成靠近周围组织，从而改进和加速在插入植入物之后的组织愈合，并减少对抗生素药物的需求。植入物可例如为牙科植入物，但也可为其它类型的植入物。

在一个实施方案中，该装置可形成内腔，并且其中所述抗菌涂层/表面布置在面向所述内腔的基底的内表面上。因此，该装置可例如为管或具有大体上管状形状。例如，涂层/表面可布置在用于输送水的管或管道中，从而减少水、用于输送饮料的管和管道、医疗管、导管等中的细菌的数量。

抗菌表面也可用于许多其它类型的应用中，其中需要减少细菌的存在和定植。例如，抗菌表面在食品工业中具有巨大优势，并且例如在食品包装等中。

抗菌表面也可用于船舶和船体，以减少生长并减少对防污漆的需求。

此外，该装置可以是或形成细胞生长或细胞培养设备的一部分。因此，可省略或至少大大减少当今常见的抗生素药物的使用。由于抗菌涂层/表面杀死原核细胞但不伤害真核细胞，所以涂层/表面有效杀死细菌而不影响培养的真核细胞。因此，细胞(诸如皮肤细胞、干细胞等)可更有效地生长和培养，并减少对细胞本身和环境的负面影响。

附图说明

现在将参考附图以举例的方式描述本发明的实施方案，其中：

图1a和图1b是示意性地示出根据本发明的实施方案的抗菌表面的制备的示例性实施方案的流程图；

图2a和图2b是平行于挤出方向的平面中的截面图，示意性地示出了在图1a和图1b的方法中的挤出期间纳米级薄片或小片的取向和对齐；

图3a和图3b是垂直于挤出方向的平面中的截面图，示意性地示出了在图1a和图1b的方法中的挤出期间纳米级薄片或小片的取向和对齐；

图4a和图4b是示意性地示出在图1a和图1b的方法中蚀刻/烧蚀表面以暴露薄片/小片的截面图；

图5是可用于图1a和图1b的方法中的挤出设备的示意图；

图6至图8是在根据本发明的方法中如何获得薄片/小片的取向和对齐的示意图；

图9是示出根据本发明的实施方案的不同抗菌表面的SEM图片；

图10是示出实验确定的图9的表面的抗菌活性的图；

图11是示出图9的表面的活/死细菌活力的荧光显微镜图片；

图12是示出与图9的表面接触的细菌的SEM图片；并且

图13是根据本发明的实施方案的抗菌表面的抗菌活性的示意图。

具体实施方式

在以下具体实施方式中，将描述本发明的优选实施方案。然而，应当理解，除非另外明确指明，否则不同实施方案的特征可在实施方案之间互换并且可以不同方式组合。还应当注意的是，为清楚起见，附图中示出的某些部件的尺寸可以不同于本发明的实际实施方式中的对应尺寸。

在根据第一实施方案的生产方法中，如图1a的流程图示意性所示，该方法包括混合聚合物基质材料和填充材料，其中填充材料包括纳米级薄片或小片，步骤S1。此后，在步骤S2中，对混合物进行处理以对齐混合物内的小片。这可例如通过挤出混合物来进行，但也可替代地使用其它类型的处理，诸如注塑成型。

然后，在步骤S3中，在挤出部件中形成表面，使得该表面基本上垂直于对齐的小片的纵向方向延伸。可例如通过沿特定方向诸如沿相对于挤出方向的横向或纵向方向切割挤出部件进行这种形成。

最后，在步骤S4中，对表面进行蚀刻或烧蚀，从而去除聚合物基质材料的最上部，使得先前靠近表面嵌入的小片现在从表面延伸出。

如上文所论述，可使用不同的聚合物基质材料和填充材料。在具体的实施方案中，LDPE用作聚合物基质材料，并且GNP用作填充材料。

图1b中示出了使用LDPE和GNP制备抗菌表面的方法。

此处，在步骤S1a中，初始在液体(诸如丙酮)中混合GNP，以使小片彼此解聚。然而，取决于填充材料的质量等，此类初始解聚可以是不必要的，并且然后可省略。

在步骤S1b中，可将GNP和丙酮悬浮液均质化并在另外的混合步骤中进一步解聚。然而，此步骤也是可选的，并且在许多情况下可省略。

也可使用例如在高剪切混合器中的剥离，以便通过分离纳米小片层来减小纳米小片的厚度。

然后，在步骤S1c中，将悬浮液与LDPE混合，优选地以粉末形式提供。LDPE和GNP在此优选地混合并搅拌以形成均质化混合物，并且直到丙酮蒸发。然而，形成混合物的其它方式也是可行的，并且在某些实施方案中，可在后续处理中诸如在挤出工艺中直接进行混合和解聚。

然后，在步骤S2a，将混合物进料到挤出机中，由此填充材料的小片将对齐，使得它们的纵向方向通常在挤出方向上延伸。根据所使用的材料、挤出前进行了多少均质化和解聚、需要对齐的程度等，可能需要使材料通过挤出机多于一次，诸如2-10次，尤其是2-5次。根据经验法则，每增加一轮挤压，小片将会更加对齐并更好地分散。

当步骤S2b已经获得足够程度的解聚和对齐时，去除挤出的材料，步骤S2b已经获得足够程度的解聚和对齐可通过对所产生的材料的评估或者基于来自先前批次的经验知识来确定。然后，在步骤S3′中，沿垂直于材料内对齐的小片的长度方向的方向切割材料。如从挤出方向看，切割可纵向或横向发生。

最后，在步骤S4中，对表面进行蚀刻/烧蚀，从而暴露最外面的小片，但同时仍部分嵌入聚合物基质材料中。

在图2至图4中进一步示意性地示出该过程。

在图2a中，示出了材料1的纵向方向上的示意性截面图。在挤出之前，或在挤出轮数/圈数不足之后，将小片3嵌入聚合物基质材料2中，但以随机的、非对齐的取向布置。在挤出机中进行足够多的轮数后，诸如1至3轮后，小片将在挤出方向上对齐，如图2b中示意性所示。

然后可沿横向方向切割该材料，如虚线4所示，以形成抗菌表面。

除了在它们的长度方向上对齐之外，小片还将在它们的宽度方向上对齐。这种对齐发生在围绕挤出部件中心的同心圆周围，使得小片的每个主要侧面都面向中心或远离中心。这在图3a和图3b中示意性地示出。

在图3a中，示出了材料1的圆周方向上的示意性截面图。在挤出之前，或在挤出轮数不足之后，将小片3嵌入聚合物基质材料2中，但以随机的、非对齐的取向布置。在挤出机中经过足够多的轮数后，诸如1至3轮后，小片将围绕中心周围的同心圆对齐，如图3b中示意性所示。

然后可沿纵向方向切割该材料，如虚线4所示，以形成抗菌表面。

对表面进行蚀刻/烧蚀以去除松散的小片，并降低聚合物基质材料的表面。这在图4a和图4b中示意性地示出，其中图4a示出了蚀刻/烧蚀之前的材料，并且其中图4b示出了蚀刻/烧蚀之后的同一材料。在蚀刻/烧蚀之后，小片3将从表面和聚合物基质材料延伸出，但在另一端仍然嵌入聚合物基质材料中。

可通过蚀刻，诸如化学湿法蚀刻，例如通过使用强酸，来获得在表面处去除聚合物基质材料。然而，也可使用其它方法，诸如等离子体蚀刻/烧蚀、激光蚀刻/烧蚀等。

通过上述处理，小片在所产生的材料内以期望的方式取向，并且进一步充分解聚并分散。

挤出处理本身是公知的，并且不需要详细讨论。图5中示出了示例性挤出机。挤出机10可具有入口、所谓的料斗11、挤出机螺杆12、一个或若干加热器13、以及喷嘴或模头14，加热器可为区域T1-T4提供可控温度。

在挤出期间将聚合物基质材料加热至高于熔融温度的温度，并且模头内部的速度梯度将形成抛物线速度分布，如图6和图7中所示。如果局部剪切速率落入粘度函数的剪切稀化区域内，则将发生偏差。其中，纳米小片将与挤出流动方向上的主轴和沿同心等速圆柱面的次轴对齐，如图6所示，示意性地示出了流动诱导的形态。在存在低速度梯度的情况下，可能会出现与预期方向的偏差，例如在流动通道的中心，特别是对于非牛顿流体，其中速度分布在中心变平。

除了对取向的速度梯度要求之外，诱导应力——在模头内稳态流动的情况下的剪切应力——应该优选地足够高以确保填料附聚物的良好破碎。

已经通过实验方式表明，给定相同的运动条件，具有较高粘度的聚合物基质材料产生最一致的解聚和后续取向，并且因此被选中用于研究。

图8呈现了LDPE的粘度函数和流动曲线。因此选择螺杆速度，使得模头内的表观剪切速率

尽可能接近聚合物基质的牛顿平台。图7示出了在螺杆速度为30rpm时使用图8中的粘度函数的模头内Poiseuille流动的数值解。

通常，优选使用具有相对高粘度的聚合物基质材料，因为其有助于薄片/小片取向和对齐的过程。然而，也可使用具有较低粘度的材料，并且然后优选地在挤出工艺中使用较高压力。

通常，剪切应力是粘度和剪切速率的函数，并且据信高剪切应力是有益的，因为其改善了薄片/小片的解聚，并且高剪切速率是有益的，因为其改善了薄片/小片的取向和对齐。

通常，还优选在相对低的温度、高于但相对接近聚合物基质材料的熔融温度下提供处理，诸如挤出。优选地，处理温度比聚合物基质材料的熔融温度高不到100度，并且优选地比所述熔融温度高不到50度。

模头可具有任何形状。在一个实施方案中，模头具有圆形开口，产生呈圆柱形杆形式的挤出物。然而，其它形状也是可行的，例如使用矩形模头开口，以产生板等形式的挤出物。

在一些应用中，挤出或注塑成型可用于形成装置，诸如医疗装置，由此可直接在所产生的装置的表面上提供抗菌表面。然而，替代地，可单独产生抗菌表面，诸如以切片条、带等形式，其然后可附接到如涂层的装置的表面。

在抗菌表面以条或带的形式产生的情况下，其余材料可再循环到该过程中，并且再次用于挤出或注塑成型。

实施例和实验

现在将讨论制备GNP-LDPE纳米复合材料的实际实施例。

通过图1b中所示的方法获得GNP-LDPE复合材料。为此目的，使用低密度聚乙烯(Borealis AB，Stenungsund，Sweden)。基于凝胶渗透色谱法和差示扫描量热法的LDPE的特性呈现于下表1中。

GNP级M25获自XG Sciences(美国兰辛)，用作填料。如制造商所陈述的GNP的特性呈现于下表1中，从产品数据表中提取。

表1.材料参数

通过使用高转子研磨机，将LDPE低温地研磨成粉末形式，其中粒径为约0.5mm。将GNP M25粉末与丙酮混合并且通过超声处理3小时(90W)进行均质化。

通过转子-定子混合器Ultra-turrax T 25IKA以1 5000rpm将GNP与丙酮的充分分散和均质化悬浮液搅拌20分钟，以去除悬浮液中的附聚物。此后，使用顶置式搅拌器以500rpm旋转40分钟将粉末形式的LDPE与GNP-丙酮悬浮液混合，直到获得丙酮的完全蒸发。在此过程之后，将获得的复合材料母料与不同浓度的GNP在60℃下干燥24小时。

为了实验验证，母料中使用了不同量的填充材料。具体地，产生具有如下填料浓度的母料：5重量％、10重量％、15重量％和20重量％。

然后挤出批量材料。使用圆形模头进行GNP-LDPE纳米复合材料的挤出工艺。使用Brabender 19/25D单螺杆挤出机(德国Duisburg公司(Duisburg，Germany))挤出LDPE-GNP母料，该单螺杆挤出机具有直径D＝19mm和25×19的螺杆长度和2∶1的压缩比的压紧螺杆。挤出机配备有具有700巴的最大压力的Terwin 2000系列(型号2076)熔融压力传感器，用于在线监测。使用的温度从压实区、熔融区和计量区到挤出机模头为如下：115℃、130℃、130℃和140℃。在整个过程中，使用的螺杆速度保持在30rpm。

将挤出工艺重复3次。前两次挤出被视为LDPE-GNP母料的熔融混合，以获得纳米填料在聚合物基质中的适当分散。最后，将母料挤出成直径为7mm的圆柱形挤出物。在线压力达到稳态后，收集用于抗菌分析的试样。用如下填料浓度制备试样：5重量％、10重量％、15重量％和20重量％。

将挤出的圆柱形样品在垂直于流动方向的平面中沿横向方向T切割，如图2b和图6所示，并且在平行于含有圆柱体的轴线的流动方向的平面中沿纵向方向L切割，如图3b和图6所示。切割用具有金刚石刀片的低速锯进行。

之后，对样品的表面进行蚀刻或烧蚀以便暴露GNP纳米薄片。为此目的，使用包含硫酸、正磷酸和水与1重量％的高锰酸钾的蚀刻剂进行30小时。在蚀刻/烧蚀之后，用硫酸和去离子水的混合物小心清洗所有样品，然后用过氧化氢洗涤，并用去离子水冲洗两次。

然后测试由此产生的具有抗菌表面的样品以评估抗菌活性。通过使用菌落计数方法、扫描电子显微镜观察和活/死活力染色法来评估不同浓度的GNP-LDPE复合材料的挤出和蚀刻/烧蚀的样品的抗微生物应答。针对大肠杆菌和表皮葡萄球菌测试挤出样品的抗微生物活性。

将各个细菌培养物的过夜生长稀释以获得2-5×106CFU/ml的最终接种物，并且接种在LDPE表面上(对照)，以及接种在含有各种浓度的GNP的LDPE纳米复合材料样品上。将装载细菌接种物的样品在37℃下温育24小时，以在表面上生长相应生物膜。在24小时之后，用无菌水冲洗生物膜两次并且收集在5ml 0.89％的氯化钠中。将生物膜分散并通过超声处理(30秒)均质化。将均质化的生物膜悬浮液(100μ1)连续稀释并铺板在琼脂板上，在37℃下温育以计数菌落。

为了检查GNP纳米薄片与细菌细胞之间的相互作用，用扫描电子显微镜观察生物膜。在LDPE表面以及具有不同GNP浓度的表面上生长的生物膜用3％的戊二醛固定2小时。通过使用梯度系列的乙醇浓度(40％、50％、60％、70％、80％和90％)将固定的生物膜脱水1 5分钟，并使用无水乙醇脱水20分钟。将所有脱水的生物膜在室温下干燥过夜，并在SEM成像前溅射涂覆一层薄薄的金(5nm)。用Supra 55VP(Carl Zeiss AG，Jena，Germany)进行SEM成像。为了进一步确认LDPE-GNP复合材料的杀菌活性，利用

BacLight细菌活力染色试剂盒1 7012(Invitrogen，Molecular Probes，Inc.Eugene，OR，USA)对生物膜进行染色。试剂盒包含绿色荧光核酸染色/>

和红色荧光核酸染色碘化丙啶(PI)。绿色荧光染料(Syto)穿过所有细菌膜并且与细菌细胞的DNA结合并且含有第二染料，红色荧光PI仅穿过受损的细菌膜(死细菌)。在用Syto和PI的混合物进行20分钟染色后，使用Zeiss荧光显微镜(Axio Imager.Z2m Carl Zeiss，Jena，Germany)进行生物膜的荧光显微镜成像。

从SEM图片可以看出，GNP纳米薄片在聚合物流动方向上取向。图9左侧的A组的SEM图片示出了在四种不同GNP浓度下沿横向方向切割的样品，并且图9右侧的B组的SEM图片示出在四种不同GNP浓度下沿纵向方向切割的样品。所有图片清楚地显示GNP纳米薄片的垂直取向。

针对通常引起如下感染的致病性细菌测试这些样品的抗微生物活性：大肠杆菌和表皮葡萄球菌。为了评估垂直取向的GNP纳米薄片对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的杀菌活性，将大肠杆菌用作革兰氏阴性菌的模型生物，并且将表皮葡萄球菌用作革兰氏阳性菌的模型。

存在用于评估抗微生物活性的各种现有策略。在此，在蚀刻/烧蚀之前，在沿相对于挤出方向的T(横向)和L(纵向)取向切割的复合表面上生长细菌培养物。以这两种方式切割样品的原因与相对于挤出方向和边缘效应的取向有关。首先通过铺板方法确定粘附细菌的菌落形成单位数(CFU)。

在所有具有GNP的复合表面上都观察到大肠杆菌和表皮葡萄球菌的活力显著损失，而与切割方向无关，如图10所示。活力的损失取决于GNP-LDPE复合材料中GNP的浓度。即使5重量％的GNP-LDPE复合材料也显示出显著的杀菌效果。利用T切割样品，对大肠杆菌和表皮葡萄球菌活力的损失为40±6.5％和40.8±10.5％。在L切割样品中，对大肠杆菌和表皮葡萄球菌活力的损失为33.55±6.5％和28.18±7.3％。利用T和L切片的10重量％的GNP-LDPE复合材料大肠杆菌的活力损失上升至80.8±5.8％和84.45±11.43％，对于相同的样品，利用T和L切片样品表皮葡萄球菌的活力损失上升至58.5±7.4％和61.12±4.9％。10％GNP-LDPE复合材料对大肠杆菌和表皮葡萄球菌的杀菌活性的这种显著差异可能是由于细菌细胞的形状，而不是革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌。在10重量％的GNP-LDPE复合材料中，尽管取向的GNP纳米薄片的密度分布良好且均匀，但在纳米薄片之间存在间隙，有足够的空间让圆形表皮葡萄球菌细胞无干扰地附着。而大肠杆菌细胞，是杆形(长度为2μm)，更可能与GNP纳米薄片接触。

在15重量％的GNP-LDPE中利用T和L切片复合样品，表皮葡萄球菌的活力的损失分别上升至78.5±8.0％和99.99±0％，而对大肠杆菌的杀菌效果保持与对于10重量％的GNP-LDPE的利用T切片样品相似(81.47±3.20％)。在L切片样品的情况下，大肠杆菌的活力损失升高至99.99±0％。

此外，在20重量％的GNP-LDPE中，利用T切片样品，活力的损失对大肠杆菌和表皮葡萄球菌上升至90.0±1.7％和94.5±0.7％。另一方面，用L切片复合样品观察到大肠杆菌和表皮葡萄球菌的活力损失为99.99％。

用20重量％的GNP-LDPE观察到大肠杆菌(革兰氏阴性菌)和表皮葡萄球菌(革兰氏阳性菌)的类似活力百分比损失表明材料的抗微生物功效仅依赖于填料含量和表面上石墨纳米小片薄片的几何形状，而与细菌的不同群体或类型无关。用CFU计数法看到的复合材料的抗生物污损活性可能是由于杀菌活性或对细菌粘附的抑制作用，或由于杀菌和抗粘附活性。

此外，L切片样品显示出比T切片更明显的抗菌效果。这种行为可能与L切片样品的面积比T切片样品的面积稍大的事实相关，这导致对于L切片样品与GNP薄片接触的更高数量的细菌。

与T切片样品相比，对于L切片样品培养基的润湿更有效，这也可能影响活力％的损失。

根据这些测量，可得出以下结论：

-即使具有5重量％的低GNP浓度，也能获得良好的抗菌效果。

-在较高的GNP浓度下，在10重量％或以上，获得了非常好的抗菌效果。

-在GNP浓度为15重量％时，获得了极好的抗菌效果。

-当使用20重量％的GNP时，抗菌效果甚至略微进一步改善。

此外，为了确认对GNP-LDPE复合材料的细菌粘附的抑制作用和杀菌作用，在对照以及复合样品上形成的生物膜用活/死细菌活力试剂盒染色并在荧光显微镜下检查。使用荧光探针检测细菌的活力是另一广泛用于评估抗微生物活性的方法。6μM浓度的SYTO能够穿过细胞质膜并与核酸相互作用以增强荧光，从而产生绿色荧光强度。碘化丙啶(PI)在嵌入DNA的双链区域时表现出高达20至30倍的荧光增强。PI不能穿过细菌的细胞质膜，因此在活细菌细胞中不会产生荧光增强。在细菌细胞膜受损的情况下，使用的PI与核酸相互作用并增强红色荧光强度。因此，通过垂直取向的GNP薄片损坏的细菌细胞用PI染成红色。对照以及GNP-LDPE复合材料中生物膜中的活细菌被SYTO染成绿色。

其结果如图11所示，其中前四列的图片与T切割样品相关，后四列与L切割样品相关。每组的前两列，即列1-2和5-6，与大肠杆菌相关，并且每组的后两列，即列3-4和7-8，与表皮葡萄球菌相关。列1、3、5和7显示活细菌，最初颜色为绿色，但此处以灰度再现，而列2、4、6和8显示死细菌，最初颜色为红色，但此处以灰度再现。第一行针对不含GNP的对照样品，并且后四行针对含有5重量％、10重量％、15重量％和20重量％的GNP的样品。

如图11所示，与对照样品相比，对于复合材料中含有GNP的样品观察到大肠杆菌和表皮葡萄球菌的生物膜总密度显著降低。在较高浓度的GNP-LDPE复合材料中细菌细胞的密度降低与复合样品中取向的GNP纳米薄片的浓度直接相关。有趣的是，在垂直切片的15重量％和20重量％的GNP-LDPE复合样品上观察到极少的细菌细胞表明，较高浓度的GNP在防止细菌粘附和防止定植方面也起作用。

此外，通过使用SEM检查GNP-LDPE复合材料上细菌细胞与垂直取向的GNP纳米薄片之间的相互作用。由于在15重量％和20重量％的L切割样品中观察到极少的细菌细胞，因此仅T切割样品用于SEM分析。

SEM图片在图12中示出。在此，第一列和第二列显示大肠杆菌，在第一列具有稍微较低的放大率并且第二列稍微较高的放大率，并且第三列和第四列显示表皮葡萄球菌，其中第三列具有稍微较低的放大率，并且第四列具有稍微较高的放大率。行1示出了对照样品的图片，而行2-5示出了用5重量％、10重量％、15重量％和20重量％的GNP制备的样品的图片。

图12展示了细菌细胞与GNP的尖锐边缘的接触和通过刺穿细胞壁的细菌细胞的损伤。在GNP-LDPE复合材料中较低浓度的GNP的情况下，观察到少量细菌细胞与GNP纳米薄片接触。在具有较高浓度GNP的复合样品的情况下，大量垂直取向的GNP纳米薄片增强了细菌细胞与纳米薄片接触并且导致形态破坏的可能性，从而增强了活力的损失。来自SEM检查的图像遵循从菌落计数方法获得的结果，其指示存活细胞中的较高百分比损失取决于所使用的GNP的浓度和GNP-LDPE复合表面上垂直取向的GNP纳米薄片的量。

获得的结果与US 2018/320002中的发现一致，这表明石墨烯的接触杀伤或插入作用模式。此外，观察到细菌细胞在GNP/LDPE复合材料上的附着随着GNP在复合材料上的高浓度(15重量％和20重量％)而显著降低。防止在具有较高GNP浓度的样品上的细菌粘附表明垂直取向的GNP纳米薄片通过至少两种不同的机制抑制生物膜的形成，包括防止定植以及粘附细菌细胞的物理损伤。

结论和概述

实验的结果清楚地证明，聚合物复合材料上GNP的受控取向遵循与其它石墨烯衍生物相似的机制以损坏微生物细胞。抗微生物评估的结果表明，挤出的GNP-LDPE复合材料上的GNP纳米薄片与细菌细胞膜发生物理相互作用，从而破坏细胞。这在图13中示意性地示出。

杀菌活性进一步取决于复合表面上取向的GNP薄片的密度，并且发现当填充材料的量为10重量％或更多时，获得了特别有利的结果。此外，显示具有较高浓度的GNP薄片的样品具有强功效以抑制细菌定植。结果表明，GNP-LDPE复合材料可用于开发例如具有杀菌活性的基于聚合物的生物医疗装置，该生物医疗装置可防止可能的装置相关感染。该生产方法是快速且成本效益的，并且可容易地规模化用于工业生产。

现在已经关于不同实施方案讨论了本发明。然而，本领域技术人员应当理解，若干另外的替代方案是可能的。例如，抗菌涂层/表面可用于许多其它医疗装置以及其它应用中。例如，涂层/表面可用于其它类型的导管，诸如血管导管等，用于其它类型或冲洗系统中，用于含有细菌敏感内容物的管中，用于加工业中，用于包装中等。

如前所述，可使用许多其它材料。例如，可使用其它填充材料，以及除GNP之外的其它纳米级薄片或小片。也可使用除LDPE之外的其它聚合物基质材料。也可使用不同聚合物材料的共混物作为聚合物基质材料。用于处理的混合物还可含有其它成分，例如添加剂，诸如增容剂、稳定剂、抗氧化剂、增塑剂等。材料还可具有其它抗菌添加剂，诸如银等。除了蚀刻之外或代替蚀刻，也可使用在表面去除聚合物基质材料的其它方式，诸如各种类型的烧蚀技术。

本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的精神的情况下，可使用类似于上述那些的若干此类替代方案，并且所有此类修改应被视为本发明的一部分，如所附权利要求书中所定义的。

Claims (15)

1.一种用于制备抗菌表面的方法，所述方法包括以下步骤：

提供聚合物基质材料；

提供包含纳米级薄片或小片的填充材料；

通过将所述聚合物基质材料和所述填充材料的混合物挤压通过模头同时加热至高于所述聚合物基质材料的熔融温度的温度来处理所述混合物，使得所述纳米级薄片或小片变得对齐，其中其纵向方向在基本上相同的方向上取向；

提供经处理的混合物的表面，所述表面基本上垂直于所述纳米级薄片或小片的纵向方向取向；

对所述表面进行蚀刻或烧蚀以部分暴露所述纳米级薄片或小片，从而使所述表面具有抗菌性。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述混合物的所述处理是挤出工艺和注塑成型工艺中的至少一种。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述填充材料仅包含纳米级薄片或小片。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述填充材料包含至少90重量％的碳。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述混合物包含量在3重量％至40重量％范围内的填充材料。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述纳米级薄片或小片是石墨烯或石墨。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述处理提供聚合物基质材料和填充材料的均质化混合物。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述聚合物基质材料为热塑性聚合物。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述聚合物基质材料为选自以下的聚合物：聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚氨酯、包含乙烯的共聚物以及聚烯烃基弹性体。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其中提供所述经处理的混合物的表面的步骤包括切割所述经处理的材料。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述纳米级薄片或小片具有在5微米至50微米范围内的平均长度。

12.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述纳米级薄片或小片具有在0.01nm至20nm范围内的平均厚度。

13.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述纳米级薄片或小片具有在1微米至30微米范围内的平均宽度。

14.根据权利要求1或2所述的方法，其中进行所述表面的所述蚀刻或烧蚀，使得所述纳米级薄片或小片从所述表面的聚合物基质材料平均延伸0.5微米至30微米范围内的长度。

15.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述表面的平面中任何相邻的纳米级薄片或小片之间的距离小于10μm。

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