一种化学气相沉积法制备抗菌聚合物薄膜的方法及应用与流程

本发明属于材料技术领域，涉及抗菌聚合物薄膜的制备，具体涉及一种化学气相沉积法制备抗菌聚合物薄膜的方法及应用。

背景技术：

近年来，抗菌聚合物广泛应用于生物医学领域，通过修饰生物医用材料表面，抗菌聚合物能够有效提高生物医用材料的抗菌效率，降低医用材料的细菌感染几率。绝大多数细菌在自然环境中带负电，因而，带正电荷的抗菌聚合物通过静电作用吸引细菌并且使细菌细胞壁和细胞膜中的物质发生迁移，从而破坏细菌细胞壁和细胞膜的结构，导致细菌死亡，例如聚季铵类和聚吡啶类的抗菌剂。但是，由于抗菌材料表面带有正电荷，被杀死的细菌残骸仍然吸附在材料表面，从而阻止材料进一步杀菌，此外，大量的正电荷使得抗菌材料的生物相容性较差。因此，开发具有抗细菌粘附和良好生物相容性的抗菌聚合物十分必要。

由于材料表明的性质对于抗菌和细胞相容性极其重要，所以表面修饰在抗菌材料的制备上具有重要的作用。高分子镀膜技术可以有效地在材料表面镀覆一层抗菌薄膜。传统的液相高分子薄膜制备方法(如喷涂、浸涂、旋涂等)较难控制薄膜厚度，在结构复杂的表面难以形成均匀薄膜。而且，薄膜涂覆过程中往往需要使用有机溶剂，因此不适用于对有机溶剂敏感的基底(如塑料等),同时，有机溶剂的残留会对人体健康产生危害。其他功能高分子薄膜制备方法能够将带正电的高聚物镀覆在医用布料和输尿管的表面，但是细菌残骸仍会吸附在材料表面，且生物相容性较差。因此如何制备具有良好生物相容性且抗菌粘附的杀菌聚合物薄膜有重要的意义。

技术实现要素：

为了克服带正电杀菌高聚物生物相容性差，且粘附细菌残骸的缺点，本发明提供了一种化学气相沉积法制备抗菌聚合物薄膜的方法及应用，该制备方法是一种简单、高效、反应条件温和，通过高分子化学气相沉积方法，一步合成具有杀菌、ph响应性释放细菌残骸、能循环使用、且生物相容性良好的双层高分子薄膜p(dmams-co-egda)-g-p(vp-co-egda)(dmams：dimethylaminomethylstyrene，n,n-二甲基乙烯基苯甲胺；egda：ethyleneglycoldiacrylate，乙二醇二丙烯酸酯；vp：n-vinyl-2-pyrrolidone，1-乙烯基-2吡咯烷酮)。双层薄膜结合了下层p(dmams-co-egda)的杀菌功能，以及上层p(vp-co-egda)的抗细菌粘附功能和良好的生物相容性，使其具有多功能抗菌性能。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现：

一种化学气相沉积法制备抗菌聚合物薄膜的方法，包括以下步骤：

将基底放置于化学气相沉积的反应器样品台上，将引发剂二叔丁基过氧化物、第一功能单体n,n-二甲基乙烯基苯甲胺(dmams)以及交联剂乙二醇二丙烯酸酯(egda)分别加热到使其气化，然后让引发剂、第一功能单体和交联剂流入反应器；

将镍铬丝排列在反应台上方并且加热至预期温度；让引发剂进入反应器，经镍铬丝加热分解产生自由基，进而引发第一功能单体和交联剂自由基链式聚合反应，合成的第一高聚物p(dmams-co-egda)沉积在基底材料上形成底层薄膜；通过监控底层薄膜厚度达到预期要求时，第一功能单体停止流入；

将第二功能单体1-乙烯基-2吡咯烷酮(vp)加热气化后流入反应器中，在引发剂作用下第二功能单体和交联剂聚合反应，合成的第二高聚物p(vp-co-egda)沉积在底层薄膜上形成第二薄膜；通过监控第二薄膜厚度达到预期要求时，第二功能单体停止流入；

反应结束后，将基底上制备得到的样品水洗除去残留的单体，晾干得到抗菌聚合物薄膜。

作为本发明的进一步改进，第一功能单体和交联剂的摩尔比为(8:1)～(16:1)，第二功能单体和交联剂的摩尔比为(1.25:1)～(3:1)。

作为本发明的进一步改进，第一薄膜的厚度不小于600nm，第二薄膜的厚度不超过200nm。

作为本发明的进一步改进，所述的基底为塑料片、玻璃片或硅片；所述基底使用前，先用无水乙醇超声处理。

作为本发明的进一步改进，沉积过程中基底温度由水循环系统控制并由热电偶监控温度不伤害基底材料的性能。

作为本发明的进一步改进，镍铬丝排列在反应台上方2.5cm-3cm处，镍铬丝加热至200-400℃。

作为本发明的进一步改进，反应器的压力由节流阀控制在0.1-1.0torr，参与反应的各单体的流量由质量流量控制器来控制。

作为本发明的进一步改进，沉积过程中通过实时激光干涉仪监控薄膜厚度。

作为本发明的进一步改进，所述的抗菌聚合物薄膜为双层高分子薄膜p(dmams-co-egda)-g-p(vp-co-egda)，其中，下层为p(dmams-co-egda)，上层为p(vp-co-egda)。

所述的方法制备得到的抗菌聚合物薄膜作为生物医用表面抗菌材料的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果和优点：

与传统的液相高分子薄膜制备方法相比，高分子化学气相沉积法是一种绿色功能高分子薄膜制备方法，其结合传统的液相自由基聚合反应与化学气相沉积技术，将聚合所需的引发剂和功能单体气化引入腔体，在较低加热温度下诱导引发剂裂解产生自由基，使单体通过自由基聚合反应生成高分子薄膜并且沉积于基底上。此外，由于高分子化学气相沉积的反应条件温和，与反应条件激烈的等离子体化学气相沉积相比，它对薄膜无损伤，且能保留薄膜官能团不受影响。而且，高分子化学气相沉积反应过程不使用对人体有害的有机溶剂，它已经将带正电的高聚物p(dmams-co-egda)镀覆在医用布料和输尿管的表面，具有超过99.9％的杀菌效果。此外，高分子化学气相沉积制备的亲水性p(vp-co-egda)具有抗细菌粘附的功能和良好的生物相容性。本发明通过高分子化学气相沉积方法在抗菌的p(dmams-co-egda)表面镀覆亲水的p(vp-co-egda)，从而制备具有良好生物相容性且抗菌粘附的杀菌聚合物薄膜p(dmams-co-egda)-g-p(vp-co-egda)。

由于自然界中绝大部分细菌带负电荷，正电荷的材料通过静电作用吸引细菌至表面且杀灭细菌，但是细菌死亡后，带负电的细菌残骸会粘附在正电荷的材料表面影响其进一步杀菌性能，故本发明中双层材料在杀灭细菌的同时不粘附细菌残骸。优选地，上层亲水的p(vp-co-egda)具有良好的抗细菌粘附能力，但是，在中性ph下，双层的薄膜没有抗细菌粘附的能力，所以，杀菌之后，提高缓冲液的ph到10，使得下层p(dmams-co-egda)不带正电，整个环境带负电荷，材料对细菌残骸不再具有静电吸引作用，从而细菌残骸能够从双层的表面释放。单层的p(dmams-co-egda)杀菌后，提高ph后，薄膜电性改变仍然不能释放细菌，说明细菌已经固定在p(dmams-co-egda)表面，但是上层p(vp-co-egda)的亲水性阻止细菌在双层薄膜表面的粘附，细菌在双层材料表面的粘附只是由于下层p(dmams-co-egda)的静电吸引作用，一旦ph升高，细菌和材料表面的静电吸引变为静电排斥，上层亲水薄膜p(vp-co-egda)在抗菌粘附中的作用随之展现，通过计算材料表面粘附细菌的面积，得出双层薄膜抗菌粘附效率为85％。

优选地，镀膜过程通过激光干涉仪的监控，精准地控制薄膜厚度，在本发明中，控制下层p(dmams-co-egda)为不少于600nm，上层p(vp-co-egda)不超过200nm。

本发明采用高分子化学气相沉积方法一步合成具有杀菌、ph响应性释放细菌残骸、循环使用、且具有良好生物相容性的双层高分子薄膜p(dmams-co-egda)-g-p(vp-co-egda)。

高分子化学气相沉积反应制备的双层薄膜结合了下层p(dmams-co-egda)的杀菌功能，以及上层p(vp-co-egda)的抗细菌粘附功能和良好的生物相容性，使其具有多功能抗菌性能，所得可应用于各种生物医用材料表面，减少细菌感染，具有很高的应用价值。

附图说明

图1是本发明的实施例1双层薄膜p(dmams-co-egda)-g-p(vp-co-egda)的结构示意图；

图2是本发明的对比例1、2和实施例1所得的共聚物的ft-ir谱图；

图3是本发明的对比例1、2和实施例1所得的共聚物的水接触角亲水性分析；

图4是本发明的实施例1所得的共聚物稳定性ft-ir和水接触角分析；

图5是本发明的对比例1、2和实施例1所得的共聚物的杀菌效率分析；

图6是本发明的对比例1、2和实施例1所得的共聚物的抗菌粘附分析；

图7是本发明的对比例1、2和实施例1所得的共聚物的生物相容性分析。

具体实施方式

本发明一种化学气相沉积法制备抗菌聚合物薄膜的方法，包括以下步骤：

以塑料片、玻璃片、硅片材料为基底，放置于高分子化学气相沉积反应器的样品台上。引发剂二叔丁基过氧化物(tbp)，功能单体n,n-二甲基乙烯基苯甲胺(dmams)，以及交联剂乙二醇二丙烯酸酯(egda)分别加热到30,75和65℃，使其气化流入反应器，各单体的流量由质量流量控制器来控制。镍铬丝整齐排列在反应台上方2.5cm-3cm处并且加热至200-400℃。引发剂tbp进入反应器，经镍铬丝加热分解产生自由基，然后引发自由基链式聚合反应，合成的高聚物沉积在基底材料和对照物硅片上。沉积过程中基底温度由水循环系统控制并由热电偶监控在35℃，确保不会伤害基底材料的性能。反应器的压力由节流阀控制在0.1-1.0torr。通过实时激光干涉仪的监控将薄膜厚度控制在800nm(不小于600nm)，当p(dmams-co-egda)镀膜厚度达到预期要求时，单体dmams停止流入。之后，单体vp加热到80℃气化后流入反应器，当p(vp-co-egda)达到200nm(不大于200nm)，单体停止流入。反应结束后，将高分子化学气相沉积制备的涂层样品用去离子水浸泡除去残留的单体，晾干后进行生物学检测。

所述的底层p(dmams-co-egda)为800nm，dmams/egda单体摩尔比为(8:1)～(16:1)；上层p(vp-co-egda)为200nm，vp/egda单体摩尔比为(1.25:1)～(3:1)。

所述的塑料片和玻璃片使用前，先用无水乙醇超声处理，去除其表面杂质，晾干后备用。

以下结合具体实施例及附图对本发明作进一步的详细说明。

实施例1

双层p(dmams-co-egda)-g-p(vp-co-egda)的制备：

以塑料、玻璃、硅片材料为基底，放置于高分子化学气相沉积反应器的样品台上。引发剂二叔丁基过氧化物(tbp)，功能单体n,n-二甲基乙烯基苯甲胺(dmams)，以及交联剂乙二醇二丙烯酸酯(egda)分别加热到30,75和65℃，使其气化流入反应器，各单体的流量由质量流量控制器来控制，dmams/egda单体摩尔比为14:1。镍铬丝整齐排列在反应台上方2.5cm处并且加热至250℃。引发剂tbp进入反应器，经镍铬丝加热分解产生自由基，然后引发自由基链式聚合反应，合成的高聚物沉积在基底材料和对照物硅片上。沉积过程中基底温度由水循环系统控制并由热电偶监控在35℃，确保不会伤害基底材料的性能。反应器的压力由节流阀控制在0.25torr。通过实时激光干涉仪监控薄膜厚度，当p(dmams-co-egda)镀膜厚度达到800nm，单体dmams停止流入。

功能单体vp加热到80℃，使其气化流入反应器，各单体的流量由质量流量控制器来控制，vp/egda单体摩尔比为1.25:1。通过实时激光干涉仪监控薄膜厚度，当p(vp-co-egda)薄膜厚度达到200nm时，引发剂tbp以及单体vp和egda停止流入。

反应结束后，将高分子化学气相沉积制备的样品用去离子水浸泡除去残留的单体，晾干后进行生物学检测。

对比例1

底层p(dmams-co-egda)的制备：以塑料片、玻璃片、硅片为基底，放置于高分子化学气相沉积反应器的样品台上。引发剂二叔丁基过氧化物(tbp)，功能单体n,n-二甲基乙烯基苯甲胺(dmams)，以及交联剂乙二醇二丙烯酸酯(egda)分别加热到30,75和65℃，使其气化流入反应器，各单体的流量由质量流量控制器来控制，dmams/egda单体摩尔比为14:1。镍铬丝整齐排列在反应台上方2.5cm处并且加热至250℃。引发剂tbp进入反应器，经镍铬丝加热分解产生自由基，然后引发自由基链式聚合反应，合成的高聚物沉积在基底材料和对照物硅片上。沉积过程中基底温度由水循环系统控制并由热电偶监控在35℃，确保不会伤害基底材料的性能。反应器的压力由节流阀控制在0.25torr。

通过实时激光干涉仪监控薄膜厚度，当p(dmams-co-egda)镀膜厚度达到800nm，引发剂tbp以及单体dmams和egda停止流入。反应结束后，将高分子化学气相沉积制备的样品用去离子水浸泡除去残留的单体，晾干后进行生物学检测。

对比例2

上层p(vp-co-egda)的制备：以塑料片、玻璃片、硅片为基底，放置于高分子化学气相沉积反应器的样品台上。引发剂二叔丁基过氧化物(tbp)，功能单体1-乙烯基-2吡咯烷酮(vp)，以及交联剂乙二醇二丙烯酸酯(egda)分别加热到30,80和65℃，使其气化流入反应器，各单体的流量由质量流量控制器来控制，vp/egda单体摩尔比为1.25:1。镍铬丝整齐排列在反应台上方2.5cm处并且加热至250℃。引发剂tbp进入反应器，经镍铬丝加热分解产生自由基，然后引发自由基链式聚合反应，合成的高聚物沉积在基底材料和对照物硅片上。沉积过程中基底温度由水循环系统控制并由热电偶监控在35℃，确保不会伤害基底材料的性能。反应器的压力由节流阀控制在0.25torr。

通过实时激光干涉仪监控薄膜厚度,当p(vp-co-egda)薄膜厚度达到200nm时，引发剂tbp以及单体vp和egda停止流入。反应结束后，将高分子化学气相沉积制备的样品用去离子水浸泡除去残留的单体，晾干后进行生物学检测。

如图2所示，是本发明的对比例1、2和实施例1所得的共聚物的ft-ir谱图；双层高分子薄膜具有下层薄膜p(dmams-co-egda)中-n(ch3)2的c-h在2700-2850cm^-1的吸收峰和上层薄膜p(vp-co-egda)中c＝o在1682-1661cm^-1的吸收峰，因此，双层薄膜制备成功。

如图3所示，是本发明的对比例1、2和实施例1所得的共聚物的接触角亲水性分析；图3所示，上层p(vp-co-egda)和双层薄膜p(dmams-co-egda)-g-p(vp-co-egda)的接触角分别为28°和30°，显著低于p(dmams-co-egda)的接触角68°,说明上层p(vp-co-egda)在双层薄膜的亲水性中起主导作用。

如图4所示，是本发明的实施例1所得的共聚物稳定性ft-ir和水接触角分析；双层薄膜p(dmams-co-egda)-g-p(vp-co-egda)在37℃水中以200rpm摇24小时后，与原始样品比较，其红外图谱和水接触角变化不显著，说明薄膜具有良好的稳定性。

如图5所示，是本发明的对比例1、2和实施例1所得的共聚物杀菌性能分析：根据astme2149-01在动态接触条件下测定稳态抗菌剂的杀菌行为，对镀覆薄膜的杀菌效率进行检测。由于大部分细菌的等电点在ph1.5到ph4.5之间，所以绝大多数细菌在自然环境中带负电荷，带正电荷的材料易将带负电荷的细菌吸引在材料表面，随后破坏细菌细胞壁和细胞膜的结构，致其死亡。根据杀菌效率＝[1-(样品组的菌落数/对照组的菌落数)]×100(％)计算出单层和双层薄膜的杀菌效率，结果显示，单层p(vp-co-egda)不杀菌。

而带正电荷的单层薄膜p(dmams-co-egda)和双层薄膜p(dmams-co-egda)-g-p(vp-co-egda)对革兰氏阴性菌大肠杆菌(escherichiacoli)和革兰氏阳性菌枯草芽孢杆菌(bacillussubtilis)的杀菌效率都大于99％。

如图6所示，是本发明的对比例1、2和实施例1所得的共聚物抗细菌粘附分析：三种薄膜在动态接触条件下杀菌后，用ph为10的缓冲液清洗材料表面，使得p(dmams-co-egda)不带正电，整个环境带负电，但是其不能释放细菌残骸，说明细菌已经固定在p(dmams-co-egda)表面。p(vp-co-egda)具有良好的抗细菌粘附的能力。由于双层薄膜p(dmams-co-egda)-g-p(vp-co-egda)上层p(vp-co-egda)的亲水性阻止细菌在双层薄膜表面的粘附，细菌在双层材料表面的粘附只是由于下层p(dmams-co-egda)的静电吸引作用，一旦ph升高，细菌和材料表面的静电吸引变为静电排斥，上层亲水薄膜p(vp-co-egda)在抗菌粘附中的作用随之展现，通过计算材料表面粘附细菌的面积，得出双层薄膜抗菌粘附效率为85％。

如图7所示，是本发明的对比例1、2和实施例1所得的共聚物生物相容性分析：通过mtt细胞增殖及细胞毒性检测和细胞形态观察，对ncm460人正常肠上皮细胞在p(vp-co-egda)，p(dmams-co-egda)和p(dmams-co-egda)-g-p(vp-co-egda)上的生物相容性(图7a)以及生长状态(图7b)进行测试。结果发现，单层p(dmams-co-egda)对细胞有毒性,mtt活性较低；p(vp-co-egda)和双层薄膜的细胞形态正常，mtt活性接近正常细胞培养板(tcps)上的细胞活性，具有良好的生物相容性，故双层薄膜的上层p(vp-co-egda)有效提高了下层p(dmams-co-egda)的生物相容性，在双层p(dmams-co-egda)-g-p(vp-co-egda)的生物相容性中起主导作用。

实施例2

本发明一种化学气相沉积法制备抗菌聚合物薄膜的方法，包括以下步骤：

以塑料片、玻璃片、硅片材料为基底，放置于高分子化学气相沉积反应器的样品台上。引发剂二叔丁基过氧化物(tbp)，功能单体n,n-二甲基乙烯基苯甲胺(dmams)，以及交联剂乙二醇二丙烯酸酯(egda)分别加热到30,75和65℃，使其气化流入反应器，各单体的流量由质量流量控制器来控制。镍铬丝整齐排列在反应台上方2.5cm处并且加热至200℃。引发剂tbp进入反应器，经镍铬丝加热分解产生自由基，然后引发自由基链式聚合反应，合成的高聚物沉积在基底材料和对照物硅片上。沉积过程中基底温度由水循环系统控制并由热电偶监控在35℃，确保不会伤害基底材料的性能。反应器的压力由节流阀控制在0.1torr。通过实时激光干涉仪的监控将薄膜厚度控制在700nm，当p(dmams-co-egda)镀膜厚度达到预期要求时，单体dmams停止流入。之后，单体vp加热到80℃气化后流入反应器，当p(vp-co-egda)达到150nm，单体停止流入。反应结束后，将高分子化学气相沉积制备的涂层样品用去离子水浸泡除去残留的单体，晾干后进行生物学检测。

所述的底层p(dmams-co-egda)为700nm，dmams/egda单体摩尔比为8:1；上层p(vp-co-egda)为150nm，vp/egda单体摩尔比为1.25:1。

实施例3

本发明一种化学气相沉积法制备抗菌聚合物薄膜的方法，包括以下步骤：

以塑料片、玻璃片、硅片材料为基底，放置于高分子化学气相沉积反应器的样品台上。引发剂二叔丁基过氧化物(tbp)，功能单体n,n-二甲基乙烯基苯甲胺(dmams)，以及交联剂乙二醇二丙烯酸酯(egda)分别加热到30,75和65℃，使其气化流入反应器，各单体的流量由质量流量控制器来控制。镍铬丝整齐排列在反应台上方2.8cm处并且加热至300℃。引发剂tbp进入反应器，被镍铬丝加热分解产生自由基，然后引发自由基链式聚合反应，合成的高聚物沉积在基底材料和对照物硅片上。沉积过程中基底温度由水循环系统控制并由热电偶监控在35℃，确保不会伤害基底材料的性能。反应器的压力由节流阀控制在0.5torr。通过实时激光干涉仪的监控将薄膜厚度控制在600nm，当p(dmams-co-egda)镀膜厚度达到预期要求时，单体dmams停止流入。之后，单体vp加热到80℃气化后流入反应器，当p(vp-co-egda)达到100nm，单体停止流入。反应结束后，将高分子化学气相沉积制备的涂层样品用去离子水浸泡除去残留的单体，晾干后进行生物学检测。

所述的底层p(dmams-co-egda)为600nm，dmams/egda单体摩尔比为10:1；上层p(vp-co-egda)为100nm，vp/egda单体摩尔比为2:1。

实施例4

本发明一种化学气相沉积法制备抗菌聚合物薄膜的方法，包括以下步骤：

以塑料片、玻璃片、硅片材料为基底，放置于高分子化学气相沉积反应器的样品台上。引发剂二叔丁基过氧化物(tbp)，功能单体n,n-二甲基乙烯基苯甲胺(dmams)，以及交联剂乙二醇二丙烯酸酯(egda)分别加热到30,75和65℃，使其气化流入反应器，各单体的流量由质量流量控制器来控制。镍铬丝整齐排列在反应台上方3cm处并且加热至400℃。引发剂tbp进入反应器，被镍铬丝加热分解产生自由基，然后引发自由基链式聚合反应，合成的高聚物沉积在基底材料和对照物硅片上。沉积过程中基底温度由水循环系统控制并由热电偶监控在35℃，确保不会伤害基底材料的性能。反应器的压力由节流阀控制在1.0torr。通过实时激光干涉仪的监控将薄膜厚度控制在800nm，当p(dmams-co-egda)镀膜厚度达到预期要求时，单体dmams停止流入。之后，单体vp加热到80℃气化后流入反应器，当p(vp-co-egda)达到200nm，单体停止流入。反应结束后，将高分子化学气相沉积制备的涂层样品用去离子水浸泡除去残留的单体，晾干后进行生物学检测。

所述的底层p(dmams-co-egda)为800nm，dmams/egda单体摩尔比为16:1；上层p(vp-co-egda)为200nm，vp/egda单体摩尔比为3:1。

应用例1

对本发明实施例1制备的双层薄膜抗细菌粘附分析：通过“杀菌-提高ph释放细菌残骸”的循环对革兰氏阴性菌大肠杆菌(e.coli)和革兰氏阳性菌枯草芽孢杆菌(b.subtilis)进行测试，发现6次循环后，双层薄膜的杀菌效率仍然大于99％，说明双层材料具有良好的稳定性，其可重复利用的抗菌性能可应用于医疗器具表面。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。