熱處理后修飾法制備聚氨酯?納米銀長效抗菌薄膜的方法與流程

本發明涉及熱處理后修飾法制備聚氨酯-納米銀長效抗菌薄膜的方法，屬于抗菌材料技術領域。

背景技術：

聚氨酯是一類重要的醫用高分子材料，具有優異的血液相容性、良好的生物穩定性和力學性能。傅強等(譚鴻,李潔華,傅強.生物醫用磷脂化聚氨酯的設計、制備與性能.中國科學:化學,42(5),pp661-675,2012.)研究表明，聚氨酯具有與天然血管最相匹配的順應性，尤其適用于血液接觸器件，在外科手術的治療中具有不可替代的作用。但是，介入式醫用高分子材料需具有長效抗菌性，否則臨床應用時容易引起術后感染，導致手術和醫療事故。據美國國家衛生研究院初步統計，80％的細菌性疾病與醫用材料有關。以心血管系統為例，人工裝置感染導致的死亡率接近100％。因此，獲得抗菌性好、抗菌期長的醫用高分子材料，成為當今醫學亟待解決的問題，也是化學、材料學、生物學等傳統學科的交叉領域的研究熱點。

近年來，納米銀材料的研究受到人們的廣泛關注。銀作為無機抗菌劑，具有久遠的歷史，其藥用價值在古代的《本草綱目》中就有所記載。在最近的幾十年里，抗菌劑尤其是納米銀的抗菌性能的研究大量增加，納米銀在生物醫學中的應用也受到了極大的關注。納米銀可應用于紡織織物和傷口敷料、食品儲存容器、導液管、繃帶、飲用水消毒、家庭抗菌涂料和牙齒復合樹脂等方面。它作為一種廣譜性抗菌劑，對大腸桿菌、單核細胞李斯特菌、金黃色葡萄球菌等菌類具有高毒性，但對于動物細胞具有低毒性。

納米銀顆粒的尺寸在原子和宏觀微粒之間，因此同時具備了納米材料和單質銀的優良特性，具有比表面積大、殺菌能力強等優點。當銀的尺寸達到納米級時，它會迅速在溶液中解離為ag⁺，并發揮抗菌作用。目前，納米銀抗菌性聚氨酯材料的合成大都是先將聚氨酯材料合成，再將銀納米顆粒分散到聚氨酯材料中；但是，這種方法容易導致銀納米顆粒分散不均勻，容易團聚。

為了延長聚氨酯-納米銀材料的抗菌周期，人們也展開了廣泛深入的研究。其中，疏水改性是使聚氨酯-納米銀材料實現長效抗菌活性的重要途徑，改性后形成的疏水膜在納米銀顆粒與外界環境之間形成“軟”屏障，因此能夠延長其抗菌周期。目前，聚合物的疏水改性的研究主要依賴于特殊的化學反應，即首先獲得具有特定功能基團的聚氨酯，然后在其表面實施易于發生的click反應，引入疏水性能基團進行改性。fournier等人(fournierd,degeestbg,duprezfe.on-demandclickfunctionalizationofpolyurethanefilmsandfoams[j].polymer,2009,50(23):5362-5367.)首先從比利時recticel公司購買了表面功能化的聚氨酯海綿(表面基團為炔基)，然后用帶有疏水烷基鏈的疊氮化合物與其進行1,3-偶極環加成反應，從而得到表面具有疏水性能的聚氨酯海綿材料。nystrom等人(nystromd,lindqvistj,ostmarke,etal.superhydrophobicandself-cleaningbio-fibersurfacesviaatrpandsubsequentpostfunctionalization[j].acsappliedmaterials&interfaces,2009,1(4):816-823.)、xu等人(xuj,boyerc.visiblelightphotocatalyticthiol–enereaction:anelegantapproachforfastpolymerpostfunctionalizationandstep-growthpolymerization[j].macromolecules,2015,48(3):520-529.)也分別在購自sigma-aldrich公司的功能化纖維素、功能化聚丁二烯表面引入了疏水烷基鏈，達到提高疏水性的目的。然而，這種疏水改性方式均需要聚合物表面帶有特殊的功能基團，而且，為了確保后續改性反應的順利實施，這些功能基團(如炔基、烯基、疊氮等)的化學性質往往較為活潑、易于發生副反應而變質，導致這類聚合物的合成難度大，并不適用于普通的聚氨酯材料的表面改性。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明提供一種熱處理后修飾法制備聚氨酯-納米銀長效抗菌薄膜的方法。

本發明的技術方案如下：

一種熱處理后修飾法制備聚氨酯-納米銀長效抗菌薄膜的方法，包括步驟如下：

(1)聚氨酯-納米銀薄膜的制備

將二異氰酸酯和聚四氫呋喃混合，于80-120℃反應1-10h；加入交聯劑、擴鏈劑，再加入二羥甲基丙酸和催化劑，于60-90℃反應1-10h，得聚氨酯溶液(pu)；

向聚氨酯溶液中加入硝酸銀的二甲基甲酰胺溶液，攪拌均勻后成膜，再進行熱處理，即得聚氨酯-納米銀薄膜；

(2)長鏈烷基重氮甲烷的制備

將4,4′-二羥基二苯甲酮與長鏈鹵代烷反應，得4,4′-雙-長鏈烷氧基二苯甲酮；4,4′-雙-長鏈烷氧基二苯甲酮與水合肼反應得4,4′-雙-長鏈烷氧基二苯甲酮腙；4,4′-雙-長鏈烷氧基二苯甲酮腙經氧化反應得長鏈烷基重氮甲烷；

(3)聚氨酯-納米銀長效抗菌薄膜的制備

將長鏈烷基重氮甲烷溶于溶劑中，均勻涂覆到聚氨酯-納米銀薄膜表面，于100-250℃熱處理1-60min，即得聚氨酯-納米銀長效抗菌薄膜。

根據本發明，優選的，步驟(1)中所述的二異氰酸酯為4,4′-二環己基甲烷二異氰酸酯，所述的交聯劑為三羥甲基丙烷，所述的擴鏈劑為1,6-己二醇，所述的催化劑為二月硅酸二丁基錫；

優選的，二異氰酸酯、聚四氫呋喃、交聯劑、擴鏈劑、二羥甲基丙酸和催化劑的質量比為1：(0.8-1.2)：(0.01-0.1)：(0.1-1)：(0.01-0.1)：(0.001-0.01)；

優選的，交聯劑和擴鏈劑分別溶于丙酮溶液中加入反應體系，交聯劑和擴鏈劑的丙酮溶液中，交聯劑或擴鏈劑的質量與丙酮的體積之比為1：(5-100)g/ml。

根據本發明，優選的，步驟(1)中硝酸銀的加入量為聚氨酯溶液質量的1-20％，硝酸銀的二甲基甲酰胺溶液中硝酸銀的質量與二甲基甲酰胺的體積之比為1：(1-10)g/ml；

優選的，成膜后熱處理的溫度范圍為25-200℃，熱處理的時間為1-10h。

根據本發明，優選的，步驟(2)中所述的長鏈鹵代烷為1-溴代十二烷；

優選的，4,4′-二羥基二苯甲酮與長鏈鹵代烷的質量比為1：(2-20)；

優選的，反應溫度為80-200℃，反應時間為10-100h；

4,4′-二羥基二苯甲酮與長鏈鹵代烷反應后生成氯化氫，優選的，加入碳酸鉀用于中和氯化氫，加快反應速率；4,4′-二羥基二苯甲酮與碳酸鉀的質量比為1：(2-20)。

根據本發明，優選的，步驟(2)中4,4′-雙-長鏈烷氧基二苯甲酮的質量與水合肼的體積比為1：(1-10)g/ml；

優選的，4,4′-雙-長鏈烷氧基二苯甲酮與水合肼的反應過程中以乙醇為溶劑，乙酸為催化劑，于70-100℃反應10-100h；進一步優選的，4,4′-雙-長鏈烷氧基二苯甲酮的質量與乙醇的體積之比為1：(10-100)g/ml，4,4′-雙-長鏈烷氧基二苯甲酮的質量與乙酸的體積比為1：(0.05-0.5)g/ml。

根據本發明，優選的，步驟(2)中4,4′-雙-長鏈烷氧基二苯甲酮腙的氧化反應過程中使用的氧化劑為二氧化錳、吸水劑為無水硫酸鈉、堿為氫氧化鉀。

優選的，4,4′-雙-長鏈烷氧基二苯甲酮腙、二氧化錳、無水硫酸鈉和氫氧化鉀的質量比為1：(0.2-2)：(0.25-1)：(0.01-0.1)；

優選的，反應過程中避光反應，反應溫度為-40-40℃，反應時間為1-10h。

根據本發明，優選的，步驟(3)中熱處理溫度為100-140℃，熱處理時間為10-30min。

本發明的原理：

本發明另辟新徑，用長鏈烷基重氮甲烷對已經成型的聚氨酯-納米銀材料進行表面修飾，使其表面均勻覆蓋一層疏水基團，形成了納米銀與水分子的屏障，抑制水分子與納米銀接觸，從而賦予聚氨酯-納米銀材料長效抗菌性質。由于現行的疏水性聚氨酯的制備難度大，因此本發明將會擴大聚氨酯抗菌材料的應用領域。

本發明的長鏈烷基重氮甲烷在加熱后會生成高活性卡賓，然后迅速與聚氨酯-納米銀薄膜表面的羧基發生反應，且與聚氨酯鏈的c-h鍵發生插入反應，把長鏈烷基修飾到聚氨酯表面，使其表面具有疏水性。

本發明長鏈烷基重氮甲烷的合成與聚氨酯-納米銀薄膜的修飾的原理如下：

本發明的有益效果如下：

1、本發明在聚氨酯制備過程中加入硝酸銀，由于聚氨酯和硝酸銀都是以溶液的形式存在，硝酸銀在后續熱處理過程中還原成納米銀，使得納米銀分散均勻，大分子的聚氨酯鏈也限制了納米銀的團聚。

2、本發明通過先制備聚氨酯-納米銀抗菌薄膜，然后利用高分子鏈自身的c-h鍵和水性聚氨酯自帶的羧基實現聚氨酯材料的疏水性表面修飾。即不必預先在聚氨酯分子內引入高活性反應基團，簡化了反應過程，同時避免了疏水性聚氨酯合成難度大的問題。

3、本發明制得的聚氨酯-納米銀長效抗菌薄膜具有良好的長效抗菌性，經過修飾后的薄膜中的ag⁺在水溶液中的釋放速率變慢。通過聚氨酯-納米銀長效抗菌薄膜水分散體電導率測試，48h電導率增加僅110％，而普通聚氨酯-納米銀抗菌薄膜48h電導率增加達220％。說明本發明的聚氨酯抗菌薄膜達到了長效抗菌的效果。

4、本發明制得的聚氨酯-納米銀長效抗菌薄膜具有良好的抗菌性能，通過對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌的抗菌性能測試，本發明的聚氨酯-納米銀長效抗菌薄膜的抑菌圈直徑與普通聚氨酯抗菌薄膜抑菌圈直徑相仿。

附圖說明

圖1為試驗例3中不含納米銀的聚氨酯薄膜的掃描電鏡照片。

圖2為試驗例3中聚氨酯-納米銀薄膜的掃描電鏡照片。

圖3為對比例1中聚氨酯-納米銀薄膜的掃描電鏡照片。

具體實施方式

下面通過具體實施例對本發明做進一步說明，但不限于此。

實施例中所用原料如無特殊說明，均為常規市購產品。

實施例1-3

一種熱處理后修飾法制備聚氨酯-納米銀長效抗菌薄膜的方法，包括步驟如下：

(1)聚氨酯-納米銀薄膜的制備

在一個100ml的三口瓶中加入4,4′-二環己基甲烷二異氰酸酯(7.5g)和聚四氫呋喃(7.9g)，用數顯電動攪拌器恒溫90℃下攪拌2小時進行預聚合反應，反應完畢后將溫度降至70℃；將三羥甲基丙烷(0.178g)、1,6-己二醇(2.21g)溶于丙酮(15ml)中并倒入三口燒瓶中，之后加入二羥甲基丙酸(0.180g)，二月硅酸二丁基錫3滴，溫度升至80℃繼續反應3h。然后，將質量百分數分別為1％(實施例1)、5％(實施例2)、10％(實施例3)的硝酸銀固體溶于二甲基甲酰胺(5ml)，再用滴管分批加入聚氨酯溶液中，在室溫下繼續攪拌30min。混合溶液均勻地倒入聚四氟乙烯模具中，在電熱鼓風干燥箱中進行熱處理。熱處理的過程依次為：25℃(50min)→120℃(80min)→160℃(130min)→180℃(10min)。所用的各原料的比例如表1所示。

表1不同原料比例的pu薄膜的配方

(2)長鏈烷基重氮甲烷的合成

①4,4′-雙-十二烷氧基二苯甲酮的合成

在單口燒瓶中加入二甲基甲酰胺(30ml)，4,4′-二羥基二苯甲酮(2.14g,0.01mol)，1-溴代十二烷(5g,0.02mol)，碳酸鉀(6.9g,0.05mol)，在80℃下反應24h，然后回流攪拌24h，反應完畢后冷卻至室溫，得到白色絮狀物固體，在真空干燥箱中干燥12h。yield:70％；¹h-nmr：0.878(t,3h,-ch2ch3),1.238(m,2h,-ch2-ch2),1.465(m,2h,o-ch2-ch2-ch2)，1.789(m,2h,o-ch2ch2),4.040(t,2h,o-ch2),6.962(d,1h,ph-h),7.794(d,1h,ph-h)；¹³c-nmr(50mhz,cdcl3):193.8(1c,co)161.9,131.6,130.1,113.4(4c,c-ph),67.8(1c,o-ch2),31.3,29.1,28.8,25.5(4c,-ch2),22.1(1c,-ch2ch3),13.5(1c,-ch2ch3)；ir(kbr,cm^-1):3398.57,2954.95,2850.79,1633.71,1602.85,1309.67,1253.73.

②4,4′-雙-十二烷氧基二苯甲酮腙的合成

將第一步反應后的固體(1.39g,2.53mmol)溶于20ml的乙醇中，倒入100ml的單口瓶中，加入水合肼(2.45ml,50.6mmol)，再加入幾滴冰乙酸(0.4ml)作為催化劑，加熱至80℃回流攪拌48h，反應完畢后把乙醇蒸干，然后將其溶于二氯甲烷(60ml)中，用蒸餾水(60ml)洗滌4次，加入無水硫酸鎂干燥有機層，旋蒸得到淡黃色固體，在真空干燥箱中干燥24h。yield:75％；¹h-nmr：0.88(t,3h,-ch2-ch3),1.277(m,2h,-ch2ch3),1.453(m,2h,o-ch2),1.754(m,2h,o-ch2-ch2),4.06(t,2h,o-ch2),7.0(s,2h,c＝n-nh2),7.405,7.248,7.023,6.837(d,1h,ph-h)；¹²c-nmr：158.9(1c,c＝n),161.9,130.9,124.4,114.6(4c,c-ph),67.7(1c,o-ch2),31.4(1c,-ch2-ch2-ch3),29.1(4c,-ch2),25.6(1c,o-ch2-ch2-ch2),13.6(1c,-ch2-ch3).ir(kbr:cm^-1):3471.86,2954.95,2850.79,1604.71,1508.33,1247.94.

③4,4′-雙-十二烷氧基重氮甲烷的合成

將第二步產物(1.015g,1.8mmol)溶于二氯甲烷(15ml)中，加入二氧化錳(0.57g,6.51mmol)，無水硫酸鈉(0.50g,3.50mmol)，氫氧化鉀(0.15g,2.75mmol)，在室溫下避光攪拌2h，反應完畢后抽濾，有機層經旋蒸后將得到紫色固體。yield:50％；¹h-nmr：0.89(t,3h,-ch2-ch3),1.26(m,2h,-ch2),1.29(m,2h,-ch2),1.43(m,2h,o-ch2-ch2-ch2),1.77(m,2h,o-ch2-ch2),3.97(t,2h,o-ch2),6.95(d,1h,ph-h),7.19(d,1h,ph-h)。¹³c-nmr：156.8,126.0,120.8,114.9(4c,c-ph),67.7(1c,o-ch2),31.4(1c,-ch2-ch2-ch3),29.1(4c,-ch2),25.6(1c,o-ch2-ch2-ch2),13.6(1c,-ch2ch3).ir(kbr:cm^-1):3361.93,2918.30,2852.72,2059.71,1510.26,1473.62,1249.87,1024.20.

(3)聚氨酯-納米銀薄膜的表面修飾

先將步驟(1)制備好的聚氨酯-納米銀薄膜切成2×2cm的小方塊。然后采用熱處理法對薄膜進行表面修飾：

熱處理法：首先將4,4′-雙-十二烷氧基重氮甲烷(0.1g)上溶于的環己烷(15ml)中，然后用膠頭滴管將溶液滴到薄膜的表面，待溶劑揮發干凈后，將薄膜放入溫度為120℃電熱鼓風干燥箱中加熱10min，冷卻至室溫后用環己烷沖洗薄膜。

實施例4

如實施例1所述，不同的是：

步驟(1)中預聚合反應溫度為100℃，加入二羥甲基丙酸和二月硅酸二丁基錫后反應溫度為70℃；

步驟(3)中熱處理溫度為140℃。

實施例5

如實施例1所述，不同的是：

步驟(1)中二異氰酸酯、聚四氫呋喃、交聯劑、擴鏈劑、二羥甲基丙酸和催化劑的質量比為1：1.1：0.024：0.28：0.02：0.003。

對比例1

①在一個100ml的三口瓶中加入4,4′-二環己基甲烷二異氰酸酯(7.5g)和聚四氫呋喃(7.9g)，用數顯電動攪拌器恒溫90℃下攪拌2小時進行預聚合反應，反應完畢后將溫度降至70℃；將三羥甲基丙烷(0.178g)、1,6-己二醇(2.21g)溶于丙酮(15ml)中并倒入三口燒瓶中，之后加入二羥甲基丙酸(0.180g)，二月硅酸二丁基錫3滴，溫度升至80℃繼續反應3h，得到聚氨酯溶液。

②將聚乙烯吡咯烷酮(10.5g)加入到乙二醇(49.8ml)中加熱至60℃，攪拌使聚乙烯吡咯烷酮全部溶解，然后加入agno3(1.5g)，升溫至120℃繼續攪拌反應1.5h，反應完成后冷卻至室溫，即得銀納米顆粒溶液。

③取如②所述的納米顆粒溶液10ml，加入到如①所述的聚氨酯溶液中，在室溫下攪拌0.5h。然后，將混合溶液均勻地倒入聚四氟乙烯模具中，在50℃的電熱鼓風干燥箱中進行干燥，得到聚氨酯-納米銀對比薄膜，電鏡照片如圖3所示。

試驗例1、抗菌實驗

培養基的配制：稱取蛋白胨(3.5g)、nacl(1.75g)、酵母粉(1.75g)、瓊脂粉(3g)放入錐形瓶中，加入蒸餾水(350ml)溶解。用naoh水溶液(1m)調節ph值至7.2左右，高壓滅菌30min(121℃，1.41mpa)，然后在電熱恒溫培養箱中恒溫于60℃培養12h，以便于傾倒。

抗菌實驗：首先將大腸桿菌或金黃色葡萄球菌(2ml)接種到培養基溶液上，然后將培養基倒入無菌培養皿。待培養基冷卻凝固后，將直徑為1.2mm的聚氨酯-納米銀薄膜圓片放入培養基上，在培養箱中培養24h后測量抑菌圈的直徑。

本試驗例中將不同銀含量的聚氨酯-納米銀薄膜經熱處理法修飾后，測試對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌的抗菌性能，并與修飾前的薄膜進行對比，結果如表2所示。

從表2中可以看出：

a.聚氨酯薄膜的抑菌圈直徑沒有發生變化，說明該薄膜無抗菌性。

b.聚氨酯-納米銀薄膜的抑菌圈的直徑增大，說明該薄膜具有抗菌性。

c.隨著硝酸銀含量的增加，聚氨酯-納米銀薄膜的抑菌圈的直徑也增大，說明硝酸銀含量越大，聚氨酯-納米銀薄膜的抗菌性能越好。

d.聚氨酯-納米銀薄膜在熱處理修飾前后的抑菌圈直徑大小相仿。

表2聚氨酯-納米銀薄膜的抗菌實驗數據

試驗例2、電導率實驗

將表面為長鏈烷基修飾的聚氨酯-納米銀薄膜置于蒸餾水(30ml)中，在25℃下恒溫攪拌，隔時測定水溶液的電導率。

為了觀察聚氨酯-納米銀薄膜經表面修飾后，銀離子在水中的釋放速率是否減慢，即是否具有長效抗菌性質，研究了銀含量為10％的聚氨酯-納米銀薄膜在水溶液中的電導率的變化。電導率的測試數據如表3所示。

表3銀含量為10％的聚氨酯-納米銀薄膜的電導率數據

表3的數據表明，當銀含量為10％時，薄膜的電導率大小比較為：未修飾的聚氨酯薄膜<熱處理法修飾的聚氨酯-納米銀薄膜。因此，經過修飾后的薄膜中的ag⁺在水溶液中的釋放速率變慢，即達到了長效抗菌的效果。

試驗例3、聚氨酯-納米銀薄膜的表面形貌

圖1為不含納米銀的聚氨酯薄膜的掃描電鏡照片，圖2為試驗例3的聚氨酯-納米銀薄膜的掃描電鏡照片，圖3為對比例1的聚氨酯-納米銀薄膜的掃描電鏡照片。由于銀的還原電位低(e⁰＝0.8v)，因而硝酸銀在加熱時就可以還原為ag單質。通過對比圖1、2發現，當無納米銀時，薄膜表面無任何物質；當銀含量為10％時，薄膜內部有大量的納米銀顆粒，這說明加入的硝酸銀經熱處理后還原成了納米銀。

通過對比圖2、3發現，當硝酸銀在聚氨酯鏈的間隙中被原位還原成納米銀時，聚氨酯的大分子鏈限制了納米銀的團聚，使納米銀顆粒分散得較為均勻；而把納米銀與聚氨酯共混時(對比例1)，納米銀在聚氨酯體系中分散不太均勻，有較為嚴重的團聚現象。