CN114767949A - 一种具有形状记忆功能的超疏水抗杀一体化功能表面及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有形状记忆功能的超疏水抗杀一体化功能表面及其制备方法，属于医用抗菌表面技术领域。本发明以PLA为基体溶液，选择光热制剂GE作为填充物，随后在PLA‑GE表面负载疏水性SiO2，从而得到具有形状记忆功能的超疏水抗杀一体化功能表面。本发明制备的PLA‑GE/SiO2超疏水抗杀一体化功能表面能够有效抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在材料表面定植，抗细菌粘附率超过99.0％；且在近红外光的作用下，产生的局部高温不仅可以触发形状记忆效应，还可实现对细菌的快速灭活。本发明原料成本低廉，制备方法简单，可大量生产，使PLA‑GE/SiO2超疏水抗杀一体化功能表面在植入性医疗器械领域有很好的应用前景。

Description

一种具有形状记忆功能的超疏水抗杀一体化功能表面及其制 备方法
技术领域
本发明属于医用抗菌表面技术领域，具体涉及一种具有形状记忆功能的超疏水抗杀一体化功能表面及其制备方法。
背景技术
植入医疗器械表面的细菌感染已经成为长期困扰人类健康的临床难题。多数生物医用材料，如聚合物、陶瓷以及金属等，其表面都不能抵抗细菌定植，使患者面临继发性感染的风险。目前，对植入器械表面进行无菌化处理以及使用抗生素是预防和治疗细菌感染的常见方法，但过度依赖抗生素容易导致抗药性病原体的出现，长此以往甚至会诱导“超级细菌”的产生。为了将感染风险降至最低，可以通过对材料表面进行功能化设计来抑制耐药性的发展并实现持续且高效的抗菌效果。
自然界中的生物为了适应环境的变化，在激烈的生存竞争中已经进化出了近乎完美的结构和功能。例如，荷叶之所以一尘不染是得益于表面特殊的二级复合结构，即微米级的凸起乳突以及纳米级的棒状蜡质晶体结构。这种微/纳复合结构使荷叶展现出超疏水和低粘附行为，很大程度上增加了表面与液滴之间的接触角，使得脏污和水珠都不容易附着。借鉴这一现象，蒋等人在具有微米柱结构的硅片上生长ZnO纳米针阵列，该仿生表面具有与荷叶表面相似的二级微/纳结构，并且展现出良好的抗菌效果(Chemical EngineeringJournal 398(2020)125609)。由此可见，构建超疏水涂层是一种对抗细菌粘附的有效方法。
然而，由于缺乏杀菌组分，超疏水表面难以实现完全的无菌状态。王等人将十八胺与聚二甲基硅氧烷共混，并通过旋涂的方式在镁植入物表面构建超疏水涂层，研究发现，单一性能的超疏水表面可以清除70％的细菌黏附，但是仍然有细菌粘附在其表面(ACSAppl.Mater.Interfaces 2020,12,41,46862–46873)。由此推断，当少部分细菌克服物理屏障，附着在超疏水表面时，细菌会继续生长和繁殖形成难以去除的生物膜，进而破坏超疏水表面的抗菌性能。因此，迫切需要开发一种具有杀菌活性的超疏水涂层，通过被动式防御与主动式杀菌结合的方式实现生物材料表面长效的抗菌性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有形状记忆功能的超疏水抗杀一体化功能表面及其制备方法。超疏水抗杀一体化功能表面的聚乳酸(PLA)基体作为一种形状记忆聚合物，在植入物支架方面展现出良好的应用前景。一定的热刺激下可回复至初始形状，利用这一特性，可减少支架在使用过程中对病变腔道的损伤，增加支架系统的推送性。填充物商业化石墨烯(GE)具有廉价易得的特点，适合大范围推广应用，在近红外光的作用下，可通过自身的光热转换效应产生局部高温，一方面可以灭杀细菌，另一方面可以触发自身的形状记忆性能。表面负载的疏水性二氧化硅(SiO2)可以增加表面粗糙度，形成超疏水表面，有效阻止细菌粘附，避免后续生物膜的形成。
本发明所述的一种具有形状记忆功能的超疏水抗杀一体化功能表面的制备方法，其步骤如下：
1)将聚乳酸(PLA)颗粒和20～80mL有机溶剂按1：3～6的重量比混合，室温下搅拌2～5小时，得到PLA基体溶液；
2)取10～50mg商业化石墨烯(GE)加入到5～40mL有机溶剂中，超声分散1～3min，得到GE分散液；然后将步骤1)得到的PLA基体溶液与GE分散液混合，搅拌均匀后，在-4～30℃条件下固化2～10小时，得到PLA-GE样品膜；
3)取50～100mg疏水性SiO2，加入到10～50mL醇溶液中，室温下搅拌10～30min，得到SiO2分散液；随后与1～10mL、1～5wt％的粘合剂醇溶液充分混合，超声处理5～30min，得到SiO2/粘合剂混合液；
4)将步骤3)得到SiO2/粘合剂混合液涂覆在步骤2)得到的PLA-GE样品膜表面，室温干燥后得到本发明所述的PLA-GE/SiO2超疏水抗杀一体化功能表面。
所述的有机溶剂为丙酮、二氯甲烷、三氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺或乙酸乙酯等中的一种；醇为甲醇、乙醇、乙二醇或丙三醇等中的一种；粘合剂为PDMS(聚二甲基硅氧烷)、聚多巴胺、三苯基甲烷三异氰酸酯或α-氰基丙烯酸乙酯等中的一种；所述的涂覆过程可以是滴涂、浸涂、旋涂等中的一种。
本发明以PLA为基体溶液，选择光热制剂GE作为填充物，随后在PLA-GE表面负载疏水性SiO2，从而得到本发明所述的具有形状记忆功能的超疏水抗杀一体化功能表面。本发明具有设备简单、操作方便、所用化学试剂廉价易得、可重复性好的特点。本发明制备的PLA-GE/SiO2超疏水抗杀一体化功能表面能够有效抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在材料表面定植，抗细菌粘附率超过99.0％；且在近红外光的作用下，产生的局部高温不仅可以触发形状记忆效应，还可实现对细菌的快速灭活，5min内可将体系中99.8％的大肠杆菌和99.1％的金黄色葡萄球菌灭活。本发明首次基于PLA实现形状记忆以及超疏水抗杀一体化的功能表面，制备得到的PLA-GE/SiO2超疏水抗杀一体化功能表面展现了稳定高效的抗菌性能，其原料成本低廉，制备方法简单、可大量生产，使PLA-GE/SiO2超疏水抗杀一体化功能表面在植入性医疗器械领域有很好的应用前景。
附图说明
图1：实施例1制备得到的具有形状记忆功能的超疏水抗杀一体化功能表面的扫描电镜图片；
图2：实施例1制备得到的具有形状记忆功能的超疏水抗杀一体化功能表面在近红外光(808nm)下温度变化图像；
图3：实施例1制备得到的具有形状记忆功能的超疏水抗杀一体化功能表面在近红外光(808nm)下的形状回复过程图像；
图4：应用实施例1制备得到的具有形状记忆功能的超疏水抗杀一体化功能表面在近红外光(808nm)下对大肠杆菌(a)和金黄色葡萄球菌(b)灭杀效果图片；
图5：应用实施例1制备得到的具有形状记忆功能的超疏水抗杀一体化功能表面抵抗大肠杆菌(a)和金黄色葡萄球菌(b)粘附效果图片。
具体实施方式
下面以具体实施例对本发明的技术方案做更详细的说明，但所述实例不构成对本发明的限制。
实施例1
1)将PLA颗粒与40mL二氯甲烷按1:4的重量比混合，室温下搅拌4小时，得到PLA基体溶液；
2)取40mg商业化GE加入到6mL二氯甲烷中，超声分散3min，得到GE分散液；然后将步骤1)得到的PLA基体溶液与GE分散液混合，搅拌均匀后，在30℃条件下固化3小时，得到PLA-GE样品膜；
3)取100mg疏水性SiO2，加入到10mL乙醇中，室温下搅拌10min，获得SiO2分散液；随后将SiO2分散液与10mL、5wt％的PDMS乙醇溶液充分混合，超声处理30min，得到SiO2/粘合剂混合液；
4)将步骤3)得到SiO2/粘合剂混合液滴涂在步骤2)得到的PLA-GE样品膜表面，室温干燥后得到本发明所述的PLA-GE/SiO2超疏水抗杀一体化功能表面。
实施例1性能测试
通过平板涂布法对所制备出的PLA-GE/SiO2超疏水抗杀一体化功能表面进行杀菌性能研究。首先取适量菌液加入到LB培养基中进行扩大培养，37℃恒温振荡箱中孵育10h，使用无菌的生理盐水将细菌悬浮液稀释至106CFU/mL。随后，用移液枪提取100μL菌液，滴加在超疏水抗杀一体化功能表面。将反应装置分别移到黑暗条件或近红外光(808nm)下，反应5min后，将测试样品与菌液整体转移至含有无菌生理盐水的离心管中，充分涡旋，取一定量的混合液均匀地涂布在琼脂板上，倒置放在37℃细菌培养箱中过夜培养，并对不同条件下所形成的菌落数目进行统计。将杀菌率(Lb)定义如下：
Lb＝(N1-N2)/N1×100％
其中N1和N2分别代表对照组(没有使用超疏水抗杀一体化功能表面)中细菌所形成的菌落数目以及实验组中形成的菌落数目。
同样，选择平板涂布法对PLA-GE/SiO2超疏水抗杀一体化功能表面的抗细菌粘附性能进行评估。与上述细菌培养方法一致，取80μL菌液加入到LB培养基中，随后将锥形瓶置于37℃恒温振荡箱中孵育10h，使用分光光度计测得OD值大约为0.6，使用无菌的生理盐水将细菌悬浮液稀释至106CFU/mL。随后，用移液枪提取10μL菌液，滴加在超疏水抗杀一体化功能表面，并且补充适量的LB液体培养基(提供营养物质)，整体转移至37℃的恒温箱中进行孵育。24h后，取出样品膜，并用无菌PBS轻轻冲洗表面，将未粘附在样品表面的细菌冲洗掉，以免干扰实验结果。随后，将样品再次浸入到无菌PBS(5mL)溶液中，进行涡旋，使粘附在表面上的细菌脱落。为了方便对菌落数目进行统计，需要再次稀释菌液。取100μL菌液平铺在琼脂板上，37℃恒温箱中孵育过夜，最后进行菌落计数。样品表面的抗细菌粘附率(Rb)定义如下：
Rb＝(N3-N4)/N3×100％
其中N3和N4分别代表空白对照组(没有使用超疏水抗杀一体化功能表面)所形成的菌落数目以及实验组中的菌落数。
附图1是制备得到的PLA-GE/SiO2超疏水抗杀一体化功能表面的扫描电子显微镜照片。如图所示，GE作为填充物，对样品的表面形貌没有产生特殊影响，疏水性SiO2纳米粒子的引入增加了表面的粗糙度；
附图2是制备得到的PLA-GE/SiO2超疏水抗杀一体化功能表面在近红外光(808nm)照射下温度变化图像。如图所示，PLA-GE/SiO2超疏水抗杀一体化功能表面在近红外光的作用下，体系温度快速上升，短暂照射10s后，中心最高温度可达到51.0℃(图片中的50.4℃代表取样点温度)；照射20s后，中心最高温度可达到78.3℃(图片中的60.3℃代表取样点温度)；持续照射30s后，中心最高温度可达到105.2℃(图片中的99.1℃代表取样点温度)，说明制备得到的PLA-GE/SiO2具有良好的光热转换性能；
附图3是制备得到的PLA-GE/SiO2超疏水抗杀一体化功能表面的形状回复过程图像。如图所示，固定U型作为PLA-GE/SiO2初始状态，在近红外光(808nm)(亮色区域)的作用下，在25s左右样品逐渐伸展开来，从U型逐渐回复成长条的永久形状，说明制备得到的PLA-GE/SiO2可在近红外光的激发下触发形状记忆；
附图4是制备得到的PLA-GE/SiO2超疏水抗杀一体化功能表面在黑暗条件或近红外光(808nm)照射5min后对大肠杆菌(a)和金黄色葡萄球菌(b)灭杀效果图片，根据杀菌率公式，计算得到PLA-GE/SiO2在黑暗条件下，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的灭杀率分别为5.7％和6.5％，而近红外光下照射下，5min内可将体系中99.8％的大肠杆菌以及99.1％的金黄色葡萄球菌灭活，说明制备得到的PLA-GE/SiO2具有优异的杀菌性能；
附图5是制备得到的PLA-GE/SiO2抵抗大肠杆菌(a)和金黄色葡萄球菌(b)粘附效果图片。根据抗细菌粘附率公式，计算得到PLA-GE/SiO2与大肠杆菌以及金黄色葡萄球菌共培养24h后，对两种菌株的抗粘附率均超过99％，说明制备得到的PLA-GE/SiO2具有优异的抗菌性能。
实施例2
如同实施例1的各步操作，不同的是实施例1的步骤2)中GE的添加量为40mg；而实施例2中GE的添加量为50mg。在近红外光的作用下，制备得到的PLA-GE/SiO2仍然具备形状记忆性能，4min内可将体系中大肠杆菌以及金黄色葡萄球菌全部灭活，并且能够有效抑制两种细菌在表面进行粘附。
实施例3
如同实施例1的各步操作，不同的是实施例1的步骤3)中SiO2的添加量为100mg；而实施例3中SiO2的添加量为50mg。在近红外光的作用下，制备得到的PLA-GE/SiO2具备形状记忆性能，4min内可将体系中大肠杆菌以及金黄色葡萄球菌全部灭活，并且能够有效抑制两种细菌在表面进行粘附。

Claims (6)

1.一种具有形状记忆功能的超疏水抗杀一体化功能表面的制备方法，其步骤如下：
1)将PLA颗粒和20～80mL有机溶剂按1：3～6的重量比混合，室温下搅拌2～5小时，得到PLA基体溶液；PLA为聚乳酸；
2)取10～50mg GE加入到5～40mL有机溶剂中，超声分散1～3min，得到GE分散液；然后将步骤1)得到的PLA基体溶液与GE分散液混合，搅拌均匀后，在-4～30℃条件下固化2～10小时，得到PLA-GE样品膜；GE为石墨烯；
3)取50～100mg疏水性SiO2，加入到10～50mL醇溶液中，室温下搅拌10～30min，得到SiO2分散液；随后与1～10mL、1～5wt％的粘合剂醇溶液充分混合，超声处理5～30min，得到SiO2/粘合剂混合液；
4)将步骤3)得到SiO2/粘合剂混合液涂覆在步骤2)得到的PLA-GE样品膜表面，室温干燥后得到具有形状记忆功能的PLA-GE/SiO2超疏水抗杀一体化功能表面。
2.如权利要求1所述的一种具有形状记忆功能的超疏水抗杀一体化功能表面的制备方法，其特征在于：步骤1)和2)中有机溶剂为丙酮、二氯甲烷、三氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺或乙酸乙酯中的一种。
3.如权利要求1所述的一种具有形状记忆功能的超疏水抗杀一体化功能表面的制备方法，其特征在于：步骤3)中醇为甲醇、乙醇、乙二醇或丙三醇中的一种。
4.如权利要求1所述的一种具有形状记忆功能的超疏水抗杀一体化功能表面的制备方法，其特征在于：步骤3)中粘合剂为聚二甲基硅氧烷、聚多巴胺、三苯基甲烷三异氰酸酯或α-氰基丙烯酸乙酯中的一种。
5.如权利要求1所述的一种具有形状记忆功能的超疏水抗杀一体化功能表面的制备方法，其特征在于：步骤4)中涂覆可以是滴涂、浸涂、旋涂中的一种。
6.一种具有形状记忆功能的超疏水抗杀一体化功能表面，其特征在于：是由权利要求1～5任何一项所述的方法制备得到。
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KUO LIU等: "Electrospinning preparation of perylene-bisimide-functionalized graphene/polylactic acid shape-memory films with excellent mechanical and thermal properties", 《NEW JOURNAL OF CHEMISTRY》 *
薛苏桐等: "氧化石墨烯改性形状记忆纤维的片层尺寸相关性", 《功能高分子学报》 *

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CN114767949B (zh) 2022-12-30

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