一種高效抗菌季銨鹽殼聚糖復合凝膠涂層的制備方法
【專利摘要】一種高效抗菌季銨鹽殼聚糖復合凝膠涂層的制備方法，通過使用殼聚糖和聚乙烯醇的溶液，通過物理涂敷獲得了在水環境下穩定的表面親水的凝膠涂層，通過季銨鹽化處理賦予材料抗菌功能，聚乙烯醇組分提高了材料的親水性，該涂層具有良好的抗革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌黏附和殺菌的能力。該方法工藝簡單、快捷，條件溫和，易于旋涂、浸涂、噴涂等可工業實的方式實現，適用范圍廣，能夠有效地的改善醫用裝置表面的抗菌性能，生物相容性和潤滑性。
【專利說明】
一種高效抗菌季銨鹽殼聚糖復合凝膠涂層的制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及新型材料技術領域，特別涉及一種高效抗菌季銨鹽殼聚糖復合凝膠涂層的制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著材料科學、醫學、生物學的飛速發展，生物醫用材料的研究取得了很大的進步，但是仍面臨各種挑戰，一些根本性的問題沒有解決，其中，除了生物相容性問題，生物材料應用的主要障礙還有感染問題。世界上，64%左右的院內獲得性感染是由植入體或醫療器械上黏附病原菌引起的，僅僅在美國，每年就有10萬人死于相關的感染。在歐洲，人們大約每年要花費5000萬歐元用于醫用導管感染的治療，并且每年有5000個感染死亡病例。感染發生的一般過程是:細菌的黏附；定植和繁殖，形成菌落;分泌胞外基質，菌落通過胞外基質連接在一起，形成生物膜(b1film)，生物膜釋放浮游菌體和毒素，引發感染。生物膜容易使細菌產生抗藥性，生物膜由于其致密的物理結構，可以制止人體免疫系統中巨噬細胞的吞噬作用，實驗證實，在生物膜內的細菌相比自由狀態的細菌抵抗能力增加了 1000倍。通過對各種醫用裝置的表面修飾，在保持原有性能的條件下，改善生物醫用裝置生物相容性成為現代醫療裝置應用中的重要問題。
[0003]根據抗菌表面和界面性質可以將抗菌材料分為抗細菌黏附的表面、接觸式殺菌的表面和釋放抗菌劑的表面，抗粘附的涂層能對細菌感染的初始步驟發揮作用，但是單純的這類涂層不具有殺菌的功能;接觸式殺菌表面包括接枝季銨鹽、季磷酸鹽、吡啶鹽等種類，這類抗菌表面的優點是涂層牢固、抗菌能力強，但存在的問題是細胞毒性較大，生物相容性性較差。釋放殺菌劑型表面可以進行局部釋放和給藥，釋放納米銀、抗生素、抗菌肽、溶菌酶、NO分子等。這類涂層具有一定的緩釋和抗菌能力，但是不具有抗細菌黏附的能力。因此尋求一種簡單的面對裝置的表面修飾手段成為醫用裝置抗感染表面設計的關鍵性問題。而聚合物共混技術具有簡單、易于操作的特點，并且使膜層具有其組分的復合功能，通過對基材的預處理解決了涂層溶脹帶來的穩定性問題，有望得到兼具抗細菌黏附和殺菌的性能。
【發明內容】
[0004]為解決現有技術的問題，本發明提供了一種高效抗菌季銨鹽殼聚糖復合凝膠涂層的制備方法。
[0005]本發明采用的技術解決方案是:一種高效抗菌季銨鹽殼聚糖復合凝膠涂層的制備方法，包括以下步驟:將質量濃度為5-20mg/ml的殼聚糖和質量濃度為I?20mg/ml的聚乙烯醇溶液混合，將混合溶液涂抹在經表面預處理后的基材表面，經自然干燥處理或真空處理獲得了聚合物凝膠涂層的基材，然后清洗、真空干燥，然后將涂抹有聚合物凝膠涂層的基材經過1-溴庚烷乙醇溶液浸泡處理后，再用乙醇和清水清洗數次后室溫干燥，得到最終產物。
[0006]所述的基材的表面預處理步驟如下:將基材依次用丙酮、乙醇和超純水超聲清洗15min，然后用N2吹干，清洗過的基材分別在5mg/ml的PEI溶液中處理30min N2吹干，得到表面PEI處理的基材;在5mg/ml的PAA溶液中處理30min N2吹干，得到表面PAA處理的基材;在混合10mg/ml EDC和20mg/ml NHSS的MES緩沖液中處理6h N2吹干，得到表面EDC/NHS處理的基材。
[0007]所述的涂抹的方式為旋涂、浸涂或噴涂。
[0008]所述的基材為玻璃、石英、云母、不銹鋼、聚酯膜、聚乳酸膜中的一種。
[0009]所述的1-溴庚烷乙醇溶液質量濃度為25_50wt%，浸泡處理時間為8_24h。
[0010]所述的10mg/ml EDC和20mg/ml NHSS的MES緩沖液的PH值為5.6。
[0011 ]所述的旋涂方式為:調節旋涂儀轉速為1000rad/min，用滴管吸取0.1ml涂膜液滴在基材上，旋涂1s，然后在2500rad/min轉速下旋涂2min，干燥，重復旋涂3_5次。
[0012]所述的浸涂方式為:將基材浸入涂膜液中5s后，取出，使基材表面的涂膜液覆蓋均勻，然后放置于玻璃平板上，干燥后用刀片剝離基材。
[0013]所述的噴涂方式為:將噴涂液加入到霧化器中，噴涂在基材上ls，60°C烘箱干燥20min，此操作重復5次。
[0014]本發明的有益效果是:本發明提供了一種高效抗菌季銨鹽殼聚糖復合凝膠涂層的制備方法，對復合涂層采用1-溴庚烷乙醇溶液進行季銨鹽化處理，明顯提高了凝膠涂層的抗菌功能，聚乙烯醇的含量增加提高了涂層的抗細菌黏附能力，凝膠涂層對人晶狀體上皮細胞細胞毒性較低，因此具有良好的細胞相容性。抗菌涂層具有良好的潤滑性能，本發明涂層溶液配制簡便，能實現無污染操作，可采用旋涂、浸涂、噴涂等可工業實現的方式，適用范圍廣，能夠對具有復雜體型結構的生物醫用裝置進行涂層修飾;涂層可改善醫用裝置表面的抗菌性能，潤滑性，生物相容性，在人體環境下以水凝膠的形式存在，這種性質使生物材料表面潤滑，減少材料表面和粘膜組織之間的摩接阻力；涂層材料化學結構穩定，耐疲勞、剪切，能適應人體的內環境;涂層能夠實現廣譜的多功能抗菌的能力。
【具體實施方式】
[0015]為了能夠更清楚地理解本發明的技術內容，特舉以下實施例詳細說明。
[0016]基材表面預處理:
[0017]將各基材(玻璃、石英、云母、不銹鋼、聚酯膜、聚乳酸膜)經刀片裁剪成1.5 X2.5cm2大小，然后依次用前經丙酮、乙醇和超純水分別超聲15min清洗，N2吹干。清洗過的基材分別在5mg/ml的PEI(聚酰亞胺)中處理30min，N2吹干，得到表面PEI處理的基材；
[0018]在5mg/ml的PAA(丙烯酸樹脂乳液)中處理30min，N2吹干，得到表面PAA處理的基材；
[0019]然后在混合10mg/ml EDC(二氯乙烷)和20mg/ml NHSS(N_羥基琥珀酰亞胺)的MES(2-(N-嗎啉)乙磺酸一水合物)緩沖液(pH = 5.6)中處理6h，N2吹干，得到表面EDC/NHS處理的基材。
[0020]下列實施例中所用的基材均為通過上述表面與處理過后的基材。
[0021]實施例1:
[0022]在50ml小燒杯中加入50ml醋酸緩沖溶液(pH=4.0)，磁力攪拌，緩慢加入0.05g的聚乙烯醇，濃度為lmg/ml，攪拌溶解后緩慢加入0.50g殼聚糖，濃度為10mg/ml，待粘度增大后把攪拌開到最大，繼續攪拌2h，即為涂膜液。PET片經刀片裁剪成1.5X2.5cm2大小，作為基材使用，用水超聲清洗，N2吹干。用鑷子夾住PET片，浸入涂膜液中5s，取出，使表面的液體均勻覆蓋，然后放置于玻璃平板上，室溫干燥24h，然后用刀片剝離PET片，繼續真空烘箱室溫干燥12h，收集樣品。然后用質量濃度為25wt %的1-溴庚烷乙醇溶液，浸泡處理時間為8h，然后用乙醇和清水清洗數次，室溫干燥24h。
[0023]斷面場發射掃描電鏡測試涂層的厚度為3.34±0.48μπι。靜態接觸角研究發現涂膜后親水性顯著增加，和單純的季銨鹽殼聚糖膜相比，由79.45±0.63°減到72.32± 1.24°，原子力顯微鏡觀察形貌發現表面具有很低的粗糙度，RMS為3.27±0.32nm。搖瓶培養和稀釋涂平板法測試膜層的殺菌性能，結果顯示該膜層能在24h殺死92%的大腸桿菌和100%的金黃色葡萄球菌。
[0024]實施例2:
[0025]在50ml小燒杯中加入50ml醋酸緩沖溶液(pH=4.0),磁力攪拌，緩慢加入0.1g的聚乙烯醇，濃度為2mg/ml，攪拌溶解后緩慢加入0.25g殼聚糖，濃度為5mg/ml，待粘度增大后把攪拌開到最大，繼續攪拌2h，即為涂膜液。聚乳酸膜作為基材，用鑷子夾住聚乳酸片，浸入涂膜液中5s，取出，使表面的液體均勻覆蓋，然后放置于玻璃平板上，室溫干燥24h，然后用刀片剝離聚乳酸片，繼續真空烘箱室溫干燥12h，收集樣品。然后用質量濃度為30^%的1_溴庚烷乙醇溶液，浸泡處理時間為12h，然后用乙醇和清水清洗數次，室溫干燥24h ο靜態接觸角測試膜層顯示出一定的親水性，為62.43 ± 1.23°，原子力顯微鏡觀察形貌發現表面具有很低的粗糙度，RMS為3.52 ±0.24nm。搖瓶培養和稀釋涂平板法測試膜層的殺菌性能，結果顯示該膜層能在24h殺死90%的大腸桿菌和100%的金黃色葡萄球菌。抗細菌黏附實驗發現和未涂膜的的基材相比，該共混膜降低了79%的大腸桿菌黏附和92%的金黃色葡萄球菌的黏附。
[0026]實施例3:
[0027]在50ml小燒杯中加入50ml醋酸緩沖溶液(pH=4.0)，磁力攪拌，緩慢加入0.25g的聚乙烯醇，濃度為5mg/ml，攪拌溶解后緩慢加入0.35g CHI，濃度為7mg/ml，待粘度增大后把攪拌開到最大，繼續攪拌2h，即為涂膜液，玻璃作為基材。涂膜方法采用旋涂的方法，先在1000rad/min旋涂10s，然后在2500rad/min下旋涂2min，重復操作，旋涂5次。然后用質量濃度為35wt %的1-溴庚烷乙醇溶液，浸泡處理時間為24h，然后用乙醇和清水清洗數次，室溫干燥24h。斷面場發射掃描電鏡測試膜層的厚度為0.85±0.18μπι。靜態接觸角測試膜層顯示出一定的親水性，為52.67 ± 1.32°，原子力顯微鏡觀察形貌發現表面具有很低的粗糙度，RMS為2.44±0.26nm。搖瓶培養和稀釋涂平板法測試膜層的殺菌性能，結果顯示該膜層能在24h殺死94%的大腸桿菌和100%的金黃色葡萄球菌。抗細菌黏附實驗發現和未涂膜的的基材相比，該共混膜降低了82%的大腸桿菌黏附和97%的金黃色葡萄球菌的黏附。
[0028]實施例4:
[0029]在50ml小燒杯中加入50ml醋酸緩沖溶液(pH=4.0)，磁力攪拌，緩慢加入0.50g的聚乙烯醇，濃度為10mg/ml，攪拌溶解后緩慢加入0.65g殼聚糖，濃度為13mg/ml，待粘度增大后把攪拌開到最大，繼續攪拌2h，即為涂膜液，云母作為基材。涂膜方法采用旋涂的方法，先在1000rad/min旋涂10s，然后在2500rad/min下旋涂2min。干燥后用質量濃度為5(^1:%的1-溴庚烷乙醇溶液，浸泡處理時間為8h，然后用乙醇和清水清洗數次，室溫干燥24h。斷面場發射掃描電鏡測試膜層的厚度為1.45±0.22μπι，靜態接觸角測試膜層顯示出一定的親水性，為55.45 ±1.24°，原子力顯微鏡觀察形貌發現表面具有很低的粗糙度，RMS為2.45 土0.23nm。搖瓶培養和稀釋涂平板法測試膜層的殺菌性能，結果顯示該膜層能在24h殺死93%的大腸桿菌和100%的金黃色葡萄球菌。抗細菌黏附實驗發現和未涂膜的的基材相比，該共混膜降低了 88%的大腸桿菌黏附和92%的金黃色葡萄球菌的黏附。
[0030]實施例5:
[0031 ]在50ml小燒杯中加入50ml醋酸緩沖溶液(pH=4.0)，磁力攪拌，緩慢加入0.75g的聚乙烯醇，濃度為15mg/ml，攪拌溶解后緩慢加入0.25g殼聚糖，濃度為5mg/ml，待粘度增大后把攪拌開到最大，繼續攪拌2h，即為涂膜液，不銹鋼作為基材。涂膜方法采用旋涂的方法，先在1000rad/min旋涂10s，然后在2500rad/min下噴涂2min。干燥后用質量濃度為4(^1:%的1-溴庚烷乙醇溶液，浸泡處理時間為16h，然后用乙醇和清水清洗數次，室溫干燥24h。斷面場發射掃描電鏡測試膜層的厚度為1.35±0.28μπι，靜態接觸角測試膜層顯示出一定的親水性，為37.54 ± 2.53°，原子力顯微鏡觀察形貌發現表面具有很低的粗糙度，RMS為1.85 土
0.33nm。搖瓶培養和稀釋涂平板法測試膜層的殺菌性能，結果顯示該膜層能在24h殺死76%的大腸桿菌和98%的金黃色葡萄球菌。抗細菌黏附實驗發現和未涂膜的的基材相比，該共混膜降低了 94%的大腸桿菌黏附和97%的金黃色葡萄球菌的黏附。
[0032]實施例6:
[0033]在50ml小燒杯中加入50ml醋酸緩沖溶液(ρΗ=4.0)，磁力攪拌，緩慢加入1.0g的聚乙烯醇，濃度為20mg/ml，攪拌溶解后緩慢加入1.0g殼聚糖，濃度為20mg/ml，待粘度增大后把攪拌開到最大，繼續攪拌2h，即為涂膜液，云母作為基。涂膜方法采用浸涂的方法，干燥后用質量濃度為40wt %的1-溴庚烷乙醇溶液，浸泡處理時間為16h，然后用乙醇和清水清洗數次，室溫干燥24h。斷面場發射掃描電鏡測試膜層的厚度為6.45±0.72μπι，靜態接觸角測試膜層顯示出一定的親水性，為47.45±2.14°，原子力顯微鏡觀察形貌發現表面具有很低的粗糙度，RMS為4.23±0.54nm。搖瓶培養和稀釋涂平板法測試膜層的殺菌性能，結果顯示該膜層能在24h殺死93%的大腸桿菌和100%的金黃色葡萄球菌。抗細菌黏附實驗發現和未涂膜的的基材相比，該共混膜降低了88%的大腸桿菌黏附和92%的金黃色葡萄球菌的黏附。
[0034]實施例7:
[0035]在50ml小燒杯中加入50ml醋酸緩沖溶液(pH=4.0)，磁力攪拌，緩慢加入0.45g的聚乙烯醇，濃度為9mg/ml，攪拌溶解后緩慢加入0.70g殼聚糖，濃度為12mg/ml，待粘度增大后把攪拌開到最大，繼續攪拌2h，即為涂膜液，石英片作為基材。涂膜方法采用浸涂的方法，干燥后用質量濃度為35wt %的1-溴庚烷乙醇溶液，浸泡處理時間為12h，然后用乙醇和清水清洗數次，室溫干燥24h。斷面場發射掃描電鏡測試膜層的厚度為4.24±0.52μπι。靜態接觸角測試膜層顯示出一定的親水性，為56.45 ± 2.34°，原子力顯微鏡觀察形貌發現表面具有很低的粗糙度，RMS為3.53 ±0.43nm。采用MTT和FDA實驗結果發現對人晶狀體上皮細胞毒性較低，細胞活性超過TCPS的80%，因此具有良好的細胞相容性。
[0036]實施例8:
[0037]在50ml小燒杯中加入50ml醋酸緩沖溶液(pH=4.0)，磁力攪拌，緩慢加入0.55g的PVP，濃度為I lmg/ml，攪拌溶解后緩慢加入0.55g CHI，濃度為I lmg/ml，待粘度增大后把攪拌開到最大，繼續攪拌2h，即為涂膜液，硅片作為基材。涂膜方法采用浸涂的方法，干燥后用質量濃度為30wt %的1-溴庚烷乙醇溶液，浸泡處理時間為12h，然后用乙醇和清水清洗數次，室溫干燥24h。斷面場發射掃描電鏡測試膜層的厚度為3.84±0.32μπι，靜態接觸角測試膜層顯示出一定的親水性，為48.45 ± 2.04°，原子力顯微鏡觀察形貌發現表面具有很低的粗糙度，RMS為2.53 ±0.23nm。該涂層在PBS中浸泡24h，用場發射掃描電鏡觀察斷面，發現該膜層均勻和穩定存在于硅片表面，表明預處理提高了膜層的粘結性能。采用MTT和Π)Α實驗結果發現對人晶狀體上皮細胞細胞毒性較低，細胞活性超過TCPS的85%，因此具有良好的細胞相容性。
[0038]實施例9:
[0039]選取不銹鋼作為基材，將質量濃度為5mg/ml的殼聚糖和質量濃度為15mg/ml的聚乙烯醇溶液混合溶液作為噴涂液，將噴涂液加入到霧化器中，噴涂在基材上Is，在60°C烘箱干燥20min，此操作重復5次，經自然干燥處理12h和真空干燥處理12h。然后用質量濃度為38wt %的1-溴庚烷乙醇溶液，浸泡處理時間為14h，然后用乙醇和清水清洗數次，室溫干燥24h，獲得高效抗菌季銨鹽殼聚糖復合凝膠涂層。
[0040]斷面場發射掃描電鏡測試膜層的厚度為1.65±0.32μπι。靜態接觸角測試膜層顯示出一定的親水性，為37.54 ± 2.53°，原子力顯微鏡觀察形貌發現表面具有很低的粗糙度，RMS為1.85±0.33nm。搖瓶培養和稀釋涂平板法測試膜層的殺菌性能，結果顯示該膜層能在24h殺死76%的大腸桿菌和98%的金黃色葡萄球菌。抗細菌黏附實驗發現和未涂膜的的基材相比，該共混膜降低了94%的大腸桿菌黏附和97%的金黃色葡萄球菌的黏附。
[0041]實施例10:
[0042]選取云母作為基材，將質量濃度為2mg/ml的殼聚糖和質量濃度為10mg/ml的聚乙烯醇溶液混合溶液作為噴涂液，將噴涂液加入到霧化器中，噴涂在基材上Is，在60°C烘箱干燥20min，此操作重復5次，經自然干燥處理12h和真空干燥處理12h。然后用質量濃度為50wt %的1-溴庚烷乙醇溶液，浸泡處理時間為1h，然后用乙醇和清水清洗數次，室溫干燥24h，獲得高效抗菌季銨鹽殼聚糖復合凝膠涂層。
[0043]斷面場發射掃描電鏡測試膜層的厚度為1.06±0.22μπι。靜態接觸角測試膜層顯示出一定的親水性，為32.45 ± 1.24°，原子力顯微鏡觀察形貌發現表面具有很低的粗糙度，RMS為2.45 ± 0.23nm。搖瓶培養和稀釋涂平板法測試膜層的殺菌性能，結果顯示該膜層能在24h殺死93%的大腸桿菌和100%的金黃色葡萄球菌。抗細菌黏附實驗發現和未涂膜的的基材相比，該共混膜降低了88%的大腸桿菌黏附和92%的金黃色葡萄球菌的黏附。
[0044]以上所述僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發明思路下的技術方案均屬于本發明的保護范圍。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種高效抗菌季銨鹽殼聚糖復合凝膠涂層的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:將質量濃度為5?20mg/ml的殼聚糖和質量濃度為I?20mg/ml的聚乙烯醇溶液混合，將混合溶液涂抹在經表面預處理后的基材表面，經自然干燥處理或真空處理獲得了聚合物凝膠涂層的基材，然后清洗、真空干燥，然后將涂抹有聚合物凝膠涂層的基材經過1-溴庚烷乙醇溶液浸泡處理后，再用乙醇和清水清洗數次后室溫干燥，得到最終產物。2.根據權利要求1所述的一種高效抗菌季銨鹽殼聚糖復合凝膠涂層的制備方法，其特征在于，所述的基材的表面預處理步驟如下:將基材依次用丙酮、乙醇和超純水超聲清洗15min，然后用N2吹干，清洗過的基材分別在5mg/ml的PEI溶液中處理30min N2吹干，得到表面PEI處理的基材;在5mg/ml的PAA溶液中處理30min N2吹干，得到表面PAA處理的基材;在混合10mg/ml EDC和20mg/ml NHSS的MES緩沖液中處理6h N2吹干，得到表面EDC/NHS處理的基材。3.根據權利要求1所述的一種高效抗菌季銨鹽殼聚糖復合凝膠涂層的制備方法，其特征在于，所述的涂抹的方式為旋涂、浸涂或噴涂。4.根據權利要求1所述的一種高效抗菌季銨鹽殼聚糖復合凝膠涂層的制備方法，其特征在于，所述的基材為玻璃、石英、云母、不銹鋼、聚酯膜、聚乳酸膜中的一種。5.根據權利要求1所述的一種高效抗菌季銨鹽殼聚糖復合凝膠涂層的制備方法，其特征在于，所述的1-溴庚烷乙醇溶液質量濃度為25-50wt%，浸泡處理時間為8-24h。6.根據權利要求2所述的一種高效抗菌季銨鹽殼聚糖復合凝膠涂層的制備方法，其特征在于，所述的10mg/ml EDC和20mg/ml NHSS的MES緩沖液的PH值為5.6。7.根據權利要求3所述的一種高效抗菌季銨鹽殼聚糖復合凝膠涂層的制備方法，其特征在于，所述的旋涂方式為:調節旋涂儀轉速為lOOOrad/min，用滴管吸取0.1ml涂膜液滴在基材上，旋涂1s，然后在2500rad/min轉速下旋涂2min，干燥，重復旋涂3_5次。8.根據權利要求3所述的一種高效抗菌季銨鹽殼聚糖復合凝膠涂層的制備方法，其特征在于，所述的浸涂方式為:將基材浸入涂膜液中5s后，取出，使基材表面的涂膜液覆蓋均勻，然后放置于玻璃平板上，干燥后用刀片剝離基材。9.根據權利要求3所述的一種高效抗菌季銨鹽殼聚糖復合凝膠涂層的制備方法，其特征在于，所述的噴涂方式為:將噴涂液加入到霧化器中，噴涂在基材上Is，60°C烘箱干燥20min，此操作重復5次。
【文檔編號】A61L31/16GK105999406SQ201610387506
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月2日
【發明人】王佰亮, 陳浩, 劉慧華, 徐青文, 葉子
【申請人】溫州醫科大學