混合电荷聚合物涂层及聚合物涂层方法与流程

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[0001]
本发明涉及聚合物涂层技术领域，特别涉及一种具有广谱抗菌作用的混合电荷聚合物涂层及聚合物涂层方法。


背景技术：
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[0002]
随着科学技术的发展和生活水平的提高，人们对自身的健康状况愈加关注，因此推动了医用高分子材料领域的蓬勃发展，使得诸多生物医用高分子材料应运而生。比如：聚氨酯弹性体以其优异的机械性能、耐磨性、生物相容性等特点，广泛的应用在人工心脏辅助装置、医用导管、矫形绷带等方面。然而，医疗环境无可避免的会存在很多细菌，这些细菌可能会附着于材料表面，在与人体组织接触过程中造成感染，可能会增加发病率和死亡率，引起的医学并发症还会造成经济损失，所以赋予生物医用高分子材料优异的抗菌性尤为重要。
[0003]
为了使一般材料具备抗菌的功能，我们常常在材料本体中添加一类杀菌基团，比如：银离子(ag
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)、二氧化钛(tio2)、季铵盐小分子、碘、抗生素等，通过释放小分子杀菌剂来杀死材料表面的细菌，抑制细菌生长繁殖。与此相反，表面改性技术可以使材料在获得不同于本体性能的表面特性的同时，保持其本体性能不变，因此表面改性已经成为当今生物材料领域内一个充满活力和挑战的研究领域。接枝是表面改性的重要方法之一，它一般是通过化学或者物理手段处理已有的高分子材料，在材料表面生成自由基反应活性中心，然后利用这些活性中心引发接枝单体在材料表面聚合，生成聚合物接枝层，达到引入特定功能性基团改善材料表面性能的目的。根据材料表面自由基产生方式可将表面接枝聚合法分为化学接枝法、等离子体接枝法、高能辐射接枝法、光接枝法和臭氧化接枝法等。它们各有优势，也各有缺陷，适合不同的应用场合。化学接枝法工艺复杂，反应受容器限制，对大型制件处理起来更加困难，使这一方法的使用受到很大限制。等离子体接枝法有反应环境温度低，对材料表面的作用仅涉及几到几百纳米，基体性能不受影响；对所处理的材料无严格要求，具有普遍适应性；可处理形状较复杂的材料，材料表面处理的均匀性好等优点。但等离子体接枝需要真空设备，不适合大规模操作。高能辐射接枝法在常温下进行，重复性较好，但影响反应的因素较多，如辐射剂量、单体浓度、链调节剂浓度等。另外，高能辐射可以穿透被接枝的高分子材料表面层进入到本体，影响到本体性能。高能辐射接枝方法依赖辐射源，大量加工受到限制。光接枝法具有很多突出的特点，条件温和，长波紫外光能量低，不为高分子材料所吸收，却能被光引发剂吸收而引发反应，既可以达到表面改性的目的，又不致影响材料本体，而且工艺简单，便于操作，易于控制，设备投资少，是有望实现工业化的表面改性技术。但光接枝法仅仅能够处理紫外光能够照射到的材料表面，而对紫外光无法到达的地方，比如：聚合物导管的内表面，却显得无能为力。臭氧化接枝法则很好的解决了上述问题，与其它接枝法相比，臭氧化法具有设备简单、适用性广，能处理复杂的表面形状等优点。


技术实现要素：
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[0004]
有鉴于此，有必要提供一种混合电荷聚合物涂层。
[0005]
还有必要提供一种混合电荷聚合物涂层方法。
[0006]
一种混合电荷聚合物涂层，包括阴离子单体、阳离子单体和用于溶解阴离子单体、阳离子单体的溶液。
[0007]
优选的，混合电荷聚合物涂层是一种提高材料抗菌性能的表面接枝改性，接枝改性的抗菌原理包括：(1)通过修饰聚合物材料表面来排斥细菌吸附到材料表面，在源头上阻止生物膜的形成；(2)通过聚合物材料表面所固定的抗菌功能基团接触细菌造成细菌的死亡；(3)同时具有通过修饰聚合物材料表面来排斥细菌吸附到材料表面，在源头上阻止生物膜的形成；和，通过聚合物材料表面所固定的抗菌功能基团接触细菌造成细菌的死亡。
[0008]
优选的，溶液为水和异丙醇溶液的混合液，阴离子单体为含有可聚合双键的阴离子单体。
[0009]
优选的，阳离子单体为含有可聚合双键的阳离子单体。
[0010]
一种混合电荷聚合物涂层方法，包括以下涂层步骤：
[0011]
步骤一，清洗需要接枝的聚合物材料的表面，然后进行真空干燥处理；
[0012]
步骤二，真空干燥后用臭氧气体对聚合物材料的表面进行处理；
[0013]
步骤三，将臭氧气体处理后的聚合物材料放入真空箱中抽提以除去聚合物材料表面和扩散到聚合物材料内部的臭氧气体和氧气；
[0014]
步骤四，将处理过的聚合物材料浸泡在阴离子单体和阳离子单体的混合液中，往溶液中通入惰性气体；
[0015]
步骤五，通入惰性气体后，加入还原性离子引发聚合反应。
[0016]
优选的，步骤一中，用甲醇和蒸馏水分别清洗需要接枝的聚合物材料的表面。
[0017]
优选的，步骤二中，真空干燥后用臭氧气体对聚合物材料的表面进行处理，采用臭氧发生器进行处理。
[0018]
优选的，步骤三中，将臭氧气体处理后的聚合物材料放入真空箱中抽提以除去聚合物材料表面和扩散到聚合物材料内部的臭氧气体和氧气。
[0019]
优选的，步骤四中的惰性气体较佳选用氮气或者氩气。
[0020]
优选的，步骤五中，加入的还原性离子为亚铁离子，较佳选用六水合硫酸亚铁铵或硫酸亚铁，在室温下聚合反应后，取出聚合物材料，用甲醇和蒸馏水分别反复清洗聚合物材料内外表面以除去未反应的单体和未接枝的聚合物，真空干燥。
[0021]
将本发明提供的混合电荷聚合物涂层接枝到聚合物材料表面，可以有效的提高聚合物材料的抗菌性，尤其是阴离子甲基丙烯酸3-磺酸丙酯钾盐(spm)和阳离子(3-丙烯酰氨丙基)三甲基氯化铵(amptma)混合电荷聚合物涂层对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(mrsa bba38)和绿脓杆菌(pao1)30天以后的抗菌率可分别达到99.98％和99.89％，相比较而言，目前商业化的添加银离子的聚合物材料对mrsa bba38和pao1的抗菌性分别在第五天和第三天就失去了效用。
[0022]
本发明中，混合电荷聚合物涂层接枝的材料同时具有以下两种抗菌原理：(1)通过修饰材料表面来排斥细菌吸附到材料表面，从而在源头上阻止生物膜的形成；(2)通过材料表面所固定的抗菌功能基团接触细菌造成细菌的死亡。具体来说，在材料表面接枝两性离
子聚合物以提高材料的抗菌性能是目前研究最为广泛的方法之一。两性离子聚合物是一类整体呈电中性，在同一单体侧链上同时含有阴、阳离子基团的高分子材料。因为同时含有正电荷和负电荷，所以两性离子聚合物可以在水溶液中通过水化和离子溶剂化的共同作用形成牢固且稳定的水化层，能够很好的抑制蛋白和细菌的黏附(抗菌原理(1))。另外，两性离子聚合物的阳离子基团类型主要有四种：季铵盐阳离子、季鏻盐阳离子、吡啶鎓离子、咪唑鎓离子；阴离子基团类型主要有三种：磺酸根负离子、羧酸根负离子、磷酸根负离子。其中，阳离子基团，如季铵盐、季鏻盐等都具有很强的抗菌效果，并且其杀菌机理也比较成熟(抗菌原理(2))。因此，本发明中我们尝试运用不同的阴、阳离子单体两两组合的方式重构两性离子聚合物。通过改变阴、阳离子单体之间的比例关系构建出同时具有两种抗菌原理的混合电荷聚合物涂层，并利用表面接枝聚合的方法将该涂层固定在聚合物材料表面以提高材料的抗菌性，特别是一些不规则物体的外表面和绝大多数材料内表面的广谱抗菌性，比如：聚合物导管的内表面等。
附图说明：
[0023]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
[0024]
图1为聚氨酯导管表面接枝混合电荷聚合物涂层的流程示意图；
[0025]
图2为三种阴离子单体和三种阳离子单体的化学结构示意图；
[0026]
图1中：臭氧处理聚氨酯导管表面的方法s1～s3。
具体实施方式：
[0027]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0028]
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029]
本发明提供了以下具体的实施例。
[0030]
请参阅图2，混合电荷聚合物涂层包括阴离子单体、阳离子单体、水和异丙醇溶液的混合液。阴离子单体为甲基丙烯酸3-磺酸丙酯钾盐(spm)、3-磺丙基丙烯酸盐钾盐(spa)和2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸钠(ampa)三种中的一种或者多种。阳离子单体为(3-丙烯酰氨丙基)三甲基氯化铵(amptma)、丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(aetma)和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(maetma)三种中的一种或者多种。阴离子单体和阳离子单体的摩尔比为1:1。水和异丙醇溶液的体积比为1:1。加入的阴阳离子单体的总质量与水/异丙醇混合溶液体积的比值为10％(w/v)。
[0031]
一种混合电荷聚合物涂层方法，包括以下涂层步骤：
[0032]
步骤一，用甲醇和蒸馏水分别清洗需要接枝的聚合物材料的表面，然后进行真空干燥处理；
[0033]
步骤二，真空干燥后用臭氧气体对聚合物材料的表面进行处理；真空干燥后用臭氧气体对聚合物材料的表面处理25分钟～45分钟，一般处理30分钟，但是可以根据聚合物材料的大小处理几秒钟至无穷大的时间。
[0034]
步骤三，将臭氧气体处理后的聚合物材料放入真空箱中抽提以除去聚合物材料表面和扩散到聚合物材料内部的臭氧气体和氧气；将臭氧处理过的聚合物材料放入真空箱中，真空箱的真空度小于10帕，处理0.8小时～1.2小时，以除去聚合物材料表面和扩散到聚合物材料内部的臭氧气体和氧气。真空箱的真空度越接近于真空(0帕)效果越好，一般处理1小时，但是可以根据聚合物材料的大小处理几秒钟至无穷大的时间。
[0035]
步骤四，将处理过的聚合物材料浸泡在阴离子单体、阳离子单体、水和异丙醇溶液的混合液中，往溶液中通入惰性气体；将处理过的聚合物材料浸泡在阴离子单体、阳离子单体、水和异丙醇溶液的混合液中，阴离子单体和阳离子单体的摩尔比为1:1，水和异丙醇溶液的体积比为1:1，加入的阴阳离子单体的总质量与水/异丙醇混合溶液体积的比值为10％(w/v)。
[0036]
步骤五，通入惰性气体后，加入还原性离子引发聚合反应；惰性气体为氮气或者氩气，通入惰性气体的时间为25分钟～45分钟，一般为30分钟。加入的还原性离子为亚铁离子，较佳选用六水合硫酸亚铁铵或硫酸亚铁，加入的亚铁离子的质量与水/异丙醇混合溶液体积的比值为0.1％(w/v)，在室温下聚合反应24小时以后，取出聚合物材料，用甲醇和蒸馏水分别反复清洗聚合物材料内外表面以除去未反应的单体和未接枝的聚合物，真空干燥。本实施例是在室温下反应24小时，但是这个反应的反应温度可以从0摄氏度～100摄氏度，反应时间根据聚合物材料的大小可以从几秒钟至无穷大。
[0037]
本发明的实施例中，聚合物基体材料选用聚氨酯导管进行抗菌试验，并提供以下九种混合电荷聚合物涂层的实施例：
[0038]
请参阅图1，聚氨酯导管表面接枝混合电荷聚合物涂层的方法具体为以下步骤：步骤一s1，用甲醇和蒸馏水分别清洗聚氨酯导管的内外表面；步骤二s2，真空干燥以后用臭氧气体对导管的内外表面同时处理30分钟，臭氧发生器的速率为15l/min；步骤三s3，将臭氧气体处理过的导管放入真空箱中抽提1个小时，真空度小于10帕，以除去导管表面和扩散到导管内部的臭氧气体和氧气。随后，步骤四s4，将处理过的导管浸泡在阳离子单体和阴离子单体摩尔比为1:1的水/异丙醇混合溶液中，水和异丙醇溶液的体积比为1:1，加入的阴阳离子单体的总质量与水/异丙醇混合溶液体积的比值为10％(w/v)，并用蠕动泵将该溶液注入导管内部，保持导管内外液体的循环。步骤五s5,往溶液中通入惰性气体30分钟以后，加入适量的亚铁离子引发聚合反应，加入的亚铁离子的质量与水/异丙醇混合溶液体积的比值为0.1％(w/v)。在室温下反应24小时以后，取出导管，用甲醇和蒸馏水分别反复清洗导管内外表面以除去未反应的单体和未接枝的聚合物，真空干燥。
[0039]
采用以下九种实施例对导管内外表面进行接枝混合电荷聚合物涂层处理，以提高材料的抗菌性，六种细菌分别为：耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(mrsa bba38)、抗万古霉素肠道球菌(vre v583)、耐甲氧西林表皮葡萄球菌(mrse 35984)、绿脓杆菌(pao1)、大肠杆菌
(e.coli ut189)、耐碳青霉烯鲍氏不动杆菌(ab-1)
[0040]
具体实施例为：
[0041]
实施例一：阴离子spm和阳离子amptma混合电荷聚合物接枝的聚氨酯导管
[0042]
通过24小时体外生物膜法测得阴离子spm和阳离子amptma混合电荷聚合物接枝的聚氨酯导管对mrsa bba38，vre v583，mrse 35984，pao1，e.coli ut189和ab-1的抗菌率分别为99.97％，99.88％，99.11％，99.77％，99.58％和99.95％。
[0043]
实施例二：阴离子spm和阳离子aetma混合电荷聚合物接枝的聚氨酯导管；
[0044]
通过24小时体外生物膜法测得阴离子spm和阳离子aetma混合电荷聚合物接枝的聚氨酯导管对mrsa bba38，vre v583，mrse 35984，pao1，e.coli ut189和ab-1的抗菌率分别为99.96％，99.32％，96.45％，96.53％，98.41％和99.94％。
[0045]
实施例三：阴离子spm和阳离子maetma混合电荷聚合物接枝的聚氨酯导管；
[0046]
通过24小时体外生物膜法测得阴离子spm和阳离子maetma混合电荷聚合物接枝的聚氨酯导管对mrsa bba38，vre v583，mrse 35984，pao1，e.coli ut189和ab-1的抗菌率分别为99.95％，98.80％，72.47％，92.41％，96.99％和99.93％。
[0047]
实施例四：阴离子spa和阳离子amptma混合电荷聚合物接枝的聚氨酯导管；
[0048]
通过24小时体外生物膜法测得阴离子spa和阳离子amptma混合电荷聚合物接枝的聚氨酯导管对mrsa bba38，vre v583，mrse 35984，pao1，e.coli ut189和ab-1的抗菌率分别为92.92％，99.07％，99.93％，96.77％，99.07％和99.91％。
[0049]
实施例五：阴离子spa和阳离子aetma混合电荷聚合物接枝的聚氨酯导管；
[0050]
通过24小时体外生物膜法测得阴离子spa和阳离子aetma混合电荷聚合物接枝的聚氨酯导管对mrsa bba38，vre v583，mrse35984，pao1，e.coli ut189和ab-1的抗菌率分别为67.65％，97.37％，89.53％，90.67％，98.85％和99.87％。
[0051]
实施例六：阴离子spa和阳离子maetma混合电荷聚合物接枝的聚氨酯导管；
[0052]
通过24小时体外生物膜法测得阴离子spa和阳离子maetma混合电荷聚合物接枝的聚氨酯导管对mrsa bba38，vre v583，mrse 35984，pao1，e.coli ut189和ab-1的抗菌率分别为97.18％，99.45％，95.10％，89.53％，98.85％和99.96％。
[0053]
实施例七：阴离子ampa和阳离子amptma混合电荷聚合物接枝的聚氨酯导管；
[0054]
通过24小时体外生物膜法测得阴离子ampa和阳离子amptma混合电荷聚合物接枝的聚氨酯导管对mrsa bba38，vre v583，mrse 35984，pao1，e.coli ut189和ab-1的抗菌率分别为99.97％，36.90％，98.85％，94.25％，98.52％和99.72％。
[0055]
实施例八：阴离子ampa和阳离子aetma混合电荷聚合物接枝的聚氨酯导管；
[0056]
通过24小时体外生物膜法测得阴离子ampa和阳离子aetma混合电荷聚合物接枝的聚氨酯导管对mrsa bba38，vre v583，mrse 35984，pao1，e.coli ut189和ab-1的抗菌率分别为99.78％，39.73％，61.10％，92.78％，97.76％和99.83％。
[0057]
实施例九：阴离子ampa和阳离子maetma混合电荷聚合物接枝的聚氨酯导管；
[0058]
通过24小时体外生物膜法测得阴离子ampa和阳离子maetma混合电荷聚合物接枝的聚氨酯导管对mrsa bba38，vre v583，mrse 35984，pao1，e.coli ut189和ab-1的抗菌率分别为99.95％，96.21％，49.88％，98.18％，99.37％和98.77％。
[0059]
通过30天体外生物膜法测得阴离子spm和阳离子amptma混合电荷聚合物接枝的聚
氨酯导管对mrsa bba38和pao1的抗菌率分别为99.98％和99.89％。相比较而言，目前商业化的添加银离子的导管对mrsa bba38和pao1的抗菌性分别在第五天和第三天就失去了效用。