CN115944789B

CN115944789B - 一种抗菌抗凝的纳米铜-氟化石墨烯涂层透析导管及其制备方法

Info

Publication number: CN115944789B
Application number: CN202310241482.9A
Authority: CN
Inventors: 张凌; 刘壮; 刘晨
Original assignee: Sichuan University; West China Hospital of Sichuan University
Current assignee: Sichuan University; West China Hospital of Sichuan University
Priority date: 2023-03-14
Filing date: 2023-03-14
Publication date: 2023-05-09
Anticipated expiration: 2043-03-14
Also published as: CN115944789A

Abstract

本发明属于医用材料领域，具体涉及一种抗菌抗凝的纳米铜‑氟化石墨烯涂层透析导管及其制备方法。所述制备方法包括：将纳米铜颗粒与丙酮溶液混合，得到纳米铜‑丙酮溶液；将透析导管浸入所述纳米铜‑丙酮溶液，并进行溶胀处理，得到铜包埋透析导管；将所述铜包埋透析导管表面构筑氟化石墨烯涂层即可。所述透析导管将纳米铜和氟化石墨烯进行有机结合，使透析导管具有杀菌作用的同时还降低了自身的表面能，具有超疏水的功效；另外，纳米铜的引入还起到了稳固氟化石墨烯涂层的作用，功能更加长效。综合使得本发明的透析导管具有显著杀菌效果，并可显著减少血小板粘附、激活及血液中血小板的损失，降低血栓形成风险。

Description

一种抗菌抗凝的纳米铜-氟化石墨烯涂层透析导管及其制备方法

技术领域

本发明属于医用材料领域，具体涉及一种抗菌抗凝的纳米铜-氟化石墨烯涂层透析导管及其制备方法。

背景技术

在2017年，全球慢性肾脏病患者达6.97亿，占世界人口总数的9.1%，其中血液透析患者约314万，这一数目还在逐年增长。除使用长期导管进行透析治疗的患者外，透析导管对于等待肾移植或动静脉内瘘成熟前或长期通路建立前需进行血液透析的患者来说，是至关重要的生命线。规律透析患者常需每周透析3~4次，每次4h左右才能实现充分透析，因此透析导管维持通畅及功能良好是至关重要的。尽管目前临床中已有肝素、低分子肝素等药物在透析中的广泛应用，但透析导管相关感染与透析导管血栓的形成是目前透析导管应用中最常见的并发症，也是透析导管功能丧失的最主要原因。透析导管功能丧失常后需要选择其他中心静脉作为新置管位置，植入新的透析导管。人体可用于置管的中心静脉主要为左颈内、右颈内、左股静脉及右股静脉，其中左、右颈内静脉置管时导管尖端位于心脏与上腔静脉交接处或位于心房内。导管相关的感染与血栓的形成会引起血流感染、局部血管狭窄甚至闭塞，这不仅会危急患者生命，还直接影响患者的生存预后，且降低患者的生存质量。并从长远角度讲，还会损伤患者的血管，不利于患者有限的血管资源的保护。

透析导管相关感染在临床的发生率在5~10%左右，抗凝药物使用情况下临床可见的导管相关血栓形成发生率不同研究波动于28~70%不等，且药物引发的全身凝血功能障碍、出血甚至死亡事件成为了新的并发症。更多的研究开始聚焦于导管材料本身，尝试通过改善导管材料本身的血液相容性来减少血栓事件，尽管相关的研究层出不穷，但已走向临床应用的可减少导管相关感染及减少血栓形成事件的透析导管仍然稀缺。如百特公司的海豚涂层透析导管虽在体外实验中减少了血小板的粘附，但并无抗菌杀菌性能，且由于其工艺，造价昂贵，市面销售价格接近普通透析导管价格的2倍，临床推广使用困难。又如国外市场在售的肝素涂层，由于肝素活性物质的释放及结合位点的饱和，展现的效果并不如预期。且同时具备抗菌及抗凝的透析导管产品仍属市场空白。

故基于此，提出本发明技术方案。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种抗菌抗凝的纳米铜-氟化石墨烯涂层透析导管及其制备方法。

本发明的方案是提供一种抗菌抗凝的纳米铜-氟化石墨烯涂层透析导管的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

（1）将纳米铜颗粒与丙酮溶液混合，得到纳米铜-丙酮溶液；

（2）将透析导管浸入所述纳米铜-丙酮溶液，并进行溶胀处理，得到铜包埋透析导管；其中，溶胀处理过程中透析导管体积将增大，纳米铜颗粒则包埋进入透析导管材料中；

（3）将所述铜包埋透析导管表面构筑氟化石墨烯涂层，即得到所述抗菌抗凝的纳米铜-氟化石墨烯涂层透析导管。

优选地，步骤（1）中，所述纳米铜颗粒的尺寸为2~5nm；所述纳米铜-丙酮溶液中，铜的浓度为1~10mg/mL。

优选地，步骤（2）中，所述溶胀处理的时间为4~24h。

优选地，步骤（3）中，所述铜包埋透析导管表面构筑氟化石墨烯涂层的方法包括如下步骤：

（S1）将氟化石墨烯加入无水乙醇溶液中超声分散，得到第一氟化石墨烯溶液；

（S2）将所述铜包埋透析导管浸入所述第一氟化石墨烯溶液，并以铜箔作为对电极，施加电流使氟化石墨烯沉积于所述铜包埋透析导管，即得到所述抗菌抗凝的纳米铜-氟化石墨烯涂层透析导管。

优选地，步骤（S1）中，所述第一氟化石墨烯溶液中，氟化石墨烯的浓度为0.05~5mg/mL。

优选地，步骤（S2）中，将所述铜包埋透析导管浸入所述第一氟化石墨烯溶液，并以铜箔作为对电极，电极间距为5mm，电压为10~50V，施加电流使氟化石墨烯沉积于所述铜包埋透析导管，沉积时间为30s~30min，完成后即得到所述抗菌抗凝的纳米铜-氟化石墨烯涂层透析导管。在此过程中，利用第一氟化石墨烯溶液中氟化石墨烯的负电荷状态，将其沉积在包埋了纳米铜的透析导管上，氟化石墨烯与透析导管表面的纳米铜通过F-Cu-F以及Cu-F-C共价键稳定结合，具体如图1所示。

（SS1）将硅烷偶联剂、乙醇和去离子水混合，得到混合溶剂；再将氟化石墨烯加入至所述混合溶剂中搅拌并超声分散，得到第二氟化石墨烯溶液；

（SS2）采用等离子清洗机对所述铜包埋透析导管进行表面激活处理，再将所述第二氟化石墨烯溶液喷涂至所述铜包埋透析导管表面以构筑氟化石墨烯涂层，完成后即得到所述抗菌抗凝的纳米铜-氟化石墨烯涂层透析导管。硅烷偶联剂在水解后与透析导管与氟化石墨烯界面之间形成键合，具体如图2所示。

优选地，步骤（SS1）中，所述硅烷偶联剂为全氟辛基三乙氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷或全氟癸基三乙氧基硅烷中的一种；所述搅拌的时间为12h，所述超声分散的时间为30~60min；所述第二氟化石墨烯溶液中，氟化石墨烯的浓度为0.05~5mg/mL。

优选地，步骤（SS2）中，所述表面激活处理的时间为60~90s。

基于相同的技术构思，本发明的再一方案是提供一种由上述制备方法得到的抗菌抗凝的纳米铜-氟化石墨烯涂层透析导管。

本发明的有益效果为：

1、本发明所述的抗菌抗凝的纳米铜-氟化石墨烯涂层透析导管，将纳米铜和氟化石墨烯进行有机结合，使透析导管兼具杀菌作用的同时还降低了自身的表面能，具有超疏水的功效；另外，纳米铜的引入还起到了稳固氟化石墨烯涂层的作用，功能更加长效。综合使得本发明的透析导管具有显著杀菌效果，并可显著减少血小板粘附、激活及血液中血小板的损失，降低血栓形成风险。

2、本发明所述的制备方法，条件简单易控，在室温下仅需简单搅拌、喷涂或电泳沉积便可制备，绿色环保，且无有害中间产物产生。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是纳米铜-氟化石墨烯涂层透析导管表面，铜与氟化石墨烯之间形成C-F-Cu以及F-Cu-F稳定结构的示意图。

图2是使用硅烷偶联剂在铜包埋透析导管表面制备氟化石墨烯涂层的机制示意图。

图3是抗菌性能测试的效果图，其中：

图3a是对比组透析导管与大肠埃希菌37℃恒温箱共同孵育12h后，涂板计数的菌落图；

图3b是图3a的扫描电镜图；

图3c是抗菌实验组透析导管与大肠埃希菌37℃恒温箱共同孵育12h后，涂板计数的菌落图；

图3d是图3c的扫描电镜图；

图3e是对比组透析导管与金黄色葡萄球菌37℃恒温箱共同孵育12h后，涂板计数的菌落图；

图3f是图3e的扫描电镜图；

图3g是抗菌实验组透析导管与金黄色葡萄球菌37℃恒温箱共同孵育12h后，涂板计数的菌落图；

图3h是图3g的扫描电镜图。

图4是抗菌抗凝实验组透析导管的各项性能图；其中：

图4a是抗菌抗凝实验组透析导管和对比组透析导管的局部图，以及稳定状态性实验组透析导管的水接触角图；

图4b是抗菌抗凝实验组透析导管和对比组透析导管的粘附血小板数目数据图；

图4c是抗菌抗凝实验组透析导管和对比组透析导管接触血液后全血残存血小板计数图；

图4d是抗菌抗凝实验组透析导管和对比组透析导管与血液接触后的溶血率数据图；

图4e是不同组别的部分凝血激活酶时间阴性对比数据图。

图5是抗菌抗凝实验组透析导管和对比组透析导管的电镜图；其中：

图5a是抗菌抗凝实验组透析导管的电镜图；

图5b是实验组透析导管与血液共同孵育后的电镜图；

图5c是对比组透析导管与血液共同孵育后的电镜图。

实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

实施例1

本实施例提供一种抗菌抗凝的纳米铜-氟化石墨烯涂层透析导管的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

（1）将粒径尺寸为2~5nm的纳米铜颗粒与丙酮溶液混合，得到纳米铜-丙酮溶液（其中纳米铜浓度为1mg/mL）；

（2）将透析导管浸入所述纳米铜-丙酮溶液，在共震荡条件下进行溶胀处理4h，得到铜包埋透析导管；其中，溶胀处理过程中透析导管体积将增大，纳米铜颗粒则包埋进入透析导管材料中；

（3）将氟化石墨烯加入无水乙醇溶液中超声分散30min，得到氟化石墨烯溶液（其中氟化石墨烯浓度为0.05mg/mL）；

（4）将所述铜包埋透析导管浸入所述氟化石墨烯溶液，在直流电作用下，以等长度的铜箔作为对电极（即反电极），电极间距为5mm，电压为10V，沉积时间30s，利用乙醇溶液中氟化石墨烯的负电荷状态，将其沉积在包埋了纳米铜的透析导管上，氟化石墨烯与透析导管表面的纳米铜通过F-Cu-F以及Cu-F-C共价键稳定结合，完成后即得到所述抗菌抗凝的纳米铜-氟化石墨烯涂层透析导管。在此过程中，相关化学反应的示意图如图1所示。

实施例2

（1）将粒径尺寸为2~5nm的纳米铜颗粒与丙酮溶液混合，得到纳米铜-丙酮溶液（其中纳米铜浓度为10mg/mL）；

（2）将透析导管浸入所述纳米铜-丙酮溶液，在共震荡条件下进行溶胀处理24h，得到铜包埋透析导管；其中，溶胀处理过程中透析导管体积将增大，纳米铜颗粒则包埋进入透析导管材料中；

（3）将全氟辛基三乙氧基硅烷、乙醇和去离子水按照重量比为5:90:5进行混合，得到混合溶剂；再将氟化石墨烯加入至所述混合溶剂中搅拌12h并超声分散30min，得到氟化石墨烯溶液（其中氟化石墨烯浓度为5mg/mL）；

（4）采用等离子清洗机对所述铜包埋透析导管进行表面激活处理60s，再将所述氟化石墨烯溶液喷涂至所述铜包埋透析导管表面以构筑氟化石墨烯涂层，硅烷偶联剂在水解后与透析导管与氟化石墨烯界面之间形成键合，完成后即得到所述抗菌抗凝的纳米铜-氟化石墨烯涂层透析导管。在此过程中，相关化学反应的示意图如图2所示。

实施例3

（1）将粒径尺寸为2~5nm的纳米铜颗粒与丙酮溶液混合，得到纳米铜-丙酮溶液（其中纳米铜浓度为5mg/mL）；

（2）将透析导管浸入所述纳米铜-丙酮溶液，在共震荡条件下进行溶胀处理18h，得到铜包埋透析导管；其中，溶胀处理过程中透析导管体积将增大，纳米铜颗粒则包埋进入透析导管材料中；

（3）将十三氟辛基三乙氧基硅烷、乙醇和去离子水按照重量比为5:85:10进行混合，得到混合溶剂；再将氟化石墨烯加入至所述混合溶剂中搅拌12h并超声分散15min，得到氟化石墨烯溶液（其中氟化石墨烯浓度为5mg/mL）；

（4）采用等离子清洗机对所述铜包埋透析导管进行表面激活处理75s，再将所述氟化石墨烯溶液喷涂至所述铜包埋透析导管表面以构筑氟化石墨烯涂层，硅烷偶联剂在水解后与透析导管与氟化石墨烯界面之间形成键合，完成后即得到所述抗菌抗凝的纳米铜-氟化石墨烯涂层透析导管。在此过程中，相关化学反应的示意图如图2所示。

对比试验例

（一）抗菌性能测试

测试对象：实施例1得到的铜包埋透析导管（称为：抗菌实验组透析导管）和无涂层透析导管（称为：对比组透析导管）。

测试方法：在37℃条件下，分别将抗菌实验组透析导管和对比组透析导管与远高于临床常见菌血症水平的菌液（1×10⁸CFU/mL大肠埃希菌、1×10⁸CFU/mL金黄色葡萄球菌）共同孵育12h，完成后进行观测。

结果：涂板计数发现对比组透析导管表面菌落大量生长（图3a和图3e），而抗菌实验组透析导管与菌液孵育后，涂板计数时仅见极少量大肠埃希菌菌落生长，未见金黄色葡萄球菌菌落生长（图3c和图3g）。在扫描电镜下可发现对比组透析导管表面大量细菌黏附存活（图3b和图3f），而抗菌实验组透析导管表面细菌数目显著减少，且可见菌体干瘪（图3d和图3h），这是细菌死亡的典型表现。由此可见，本发明得到的铜包埋透析导管具有优异的抗菌功能。

（二）抗凝性能测试

测试对象：实施例1得到的抗菌抗凝的纳米铜-氟化石墨烯涂层透析导管（称为：抗菌抗凝实验组透析导管，FG）、无涂层透析导管（称为：对比组透析导管，GDHK）和阳性对照玻璃珠组（GL）。

图4显示抗菌抗凝实验组透析导管的各项性能，其中：图4a上部为透析导管的片段，上部左侧为对比组透析导管（市售），上部右侧为抗菌抗凝实验组透析导管；下部位为稳定状态下抗菌抗凝实验组透析导管水接触角图片，水接触角为151°，其展现出超疏水性能。

图4b中，在扫描电镜下，随机选取材料12个区域，对材料表面每100μm²粘附的血小板数目进行计数，发现抗菌抗凝实验组透析导管相较于对比组透析导管，血小板粘附数目显著减少83.5%。

图4c中，使用血细胞分析仪，对抗菌抗凝实验组和对比组透析导管接触血液后全血残存血小板计数分析发现，抗菌抗凝实验组透析导管相较于对比组透析导管可减少全血35.86%的血小板损失，这也反映了抗菌抗凝实验组透析导管更加优越的血液相容性。

图4d中，使用直接接触血液法以及使用导管在PBS缓冲液中浸泡72h提取的液体与血液接触（72h浸提法），所测得的抗菌抗凝实验组透析导管溶血率均低于2%，均符合国家对接触血液医疗器械所提出的＜5%的溶血率要求。

图4e中，抗菌抗凝实验组透析导管的部分凝血活酶时间为88.92±1.31s，优于对比组透析导管的83.03±9.49s，落在了阴性对照75~100%的区间内，表明抗菌抗凝实验组透析导管对内源性凝血途径的活化作用极轻。

图5显示抗菌抗凝实验组及对比组透析导管电镜图及其展现的抗血小板粘附与激活性能，其中，图5a表明抗菌抗凝实验组透析导管表面呈现氟化石墨烯片层结构，富有褶皱，这也是其具备超疏水性能的形貌特征。

图5b显示，抗菌抗凝实验组透析导管与血液共同孵育后，扫描电镜可见涂层表面仅有少量血小板粘附，且血小板形态规整，呈近圆盘或铁饼状，无明显激活征象。

图5c显示，对比组透析导管与血液共孵育后，扫描电镜可见表面大量血小板粘附，且几乎全部处于高度激活状态，血小板从原有的圆盘状变成高度激活的“煎蛋”状，并可见大量伪足伸出。

综合上述实验数据，均表明抗菌抗凝实验组透析导管展现了优越的抗菌、杀菌性能以及降低临床血栓形成事件的能力。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种抗菌抗凝的纳米铜-氟化石墨烯涂层透析导管的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

（2）将透析导管浸入所述纳米铜-丙酮溶液，并进行溶胀处理，得到铜包埋透析导管；

2.根据权利要求1所述抗菌抗凝的纳米铜-氟化石墨烯涂层透析导管的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述纳米铜颗粒的尺寸为2~5nm；所述纳米铜-丙酮溶液中，铜的浓度为1~10mg/mL。

3.根据权利要求1所述抗菌抗凝的纳米铜-氟化石墨烯涂层透析导管的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述溶胀处理的时间为4~24h。

4.根据权利要求1所述抗菌抗凝的纳米铜-氟化石墨烯涂层透析导管的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述铜包埋透析导管表面构筑氟化石墨烯涂层的方法包括如下步骤：

5.根据权利要求4所述抗菌抗凝的纳米铜-氟化石墨烯涂层透析导管的制备方法，其特征在于，步骤（S1）中，所述第一氟化石墨烯溶液中，氟化石墨烯的浓度为0.05~5mg/mL。

6.根据权利要求4所述抗菌抗凝的纳米铜-氟化石墨烯涂层透析导管的制备方法，其特征在于，步骤（S2）中，将所述铜包埋透析导管浸入所述第一氟化石墨烯溶液，并以铜箔作为对电极，电极间距为5mm，电压为10~50V，施加电流使氟化石墨烯沉积于所述铜包埋透析导管，沉积时间为30s~30min，完成后即得到所述抗菌抗凝的纳米铜-氟化石墨烯涂层透析导管。

7.根据权利要求1所述抗菌抗凝的纳米铜-氟化石墨烯涂层透析导管的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述铜包埋透析导管表面构筑氟化石墨烯涂层的方法包括如下步骤：

（SS2）采用等离子清洗机对所述铜包埋透析导管进行表面激活处理，再将所述第二氟化石墨烯溶液喷涂至所述铜包埋透析导管表面以构筑氟化石墨烯涂层，完成后即得到所述抗菌抗凝的纳米铜-氟化石墨烯涂层透析导管。

8.根据权利要求7所述抗菌抗凝的纳米铜-氟化石墨烯涂层透析导管的制备方法，其特征在于，步骤（SS1）中，所述硅烷偶联剂为全氟辛基三乙氧基硅烷、十三氟辛基三乙氧基硅烷或全氟癸基三乙氧基硅烷中的一种；所述搅拌的时间为12h，所述超声分散的时间为30~60min；所述第二氟化石墨烯溶液中，氟化石墨烯的浓度为0.05~5mg/mL。

9.根据权利要求7所述抗菌抗凝的纳米铜-氟化石墨烯涂层透析导管的制备方法，其特征在于，步骤（SS2）中，所述表面激活处理的时间为60~90s。

10.权利要求1~9任一项所述的制备方法得到的抗菌抗凝的纳米铜-氟化石墨烯涂层透析导管。