一种在医用材料表面上制备抗菌表面的方法与流程

本发明涉及医用材料，特别涉及一种在医用材料表面上制备抗菌表面的方法。

背景技术：

我们的健康受到一些微生物威胁，抗菌材料在日常生活中也变得非常重要。随着社会健康意识的提高，植入体材料的应用也越来越广泛，由细菌引起的植入体感染问题也越来越受人们重视。尽管材料的无菌处理和术前抗生素的使用能一定程度减少该类感染的发生，但仍有4％-6％的患者在植入初期因细菌感染而引起植入体失效，给患者带来巨大的痛苦和经济负担。在中国，该类感染临床发生率更是高达15％。因此，植入体材料不仅要求要有良好的生物相容性，还需要具备必要的抗菌能力。硅材料由于表面规整度较好，特异性吸附少，广泛用于表面改性模型的构建。

植入体材料的细菌感染难以治愈的问题决定了对于植入体的细菌感染，要采取预防大于救治的措施。即植入体材料在具备优异的组织相容性和生物相容性的同时，还要具备优异的抗菌性能。为了提高植入体材料的抗菌性能，对材料进行表面改性，在其表面利用各种抗菌剂构建抗菌型表面是一种有效的方法。目前临床常用的抗菌剂包括离子型抗菌剂，如磺胺嘧啶银等；以及抗生素类抗菌剂，如四环素和万古霉素等。尽管添加这些抗菌剂的材料具有很强的抗菌性能，银离子的细胞毒性较大，抗生素类则易使细菌对抗生素产生耐药性，耐药性的细菌已经成为目前临床面临的一大挑战。这些问题使得这些抗菌剂在临床上应用存在一定的限制，人们迫切需要一种新型的抗菌剂。

技术实现要素：

为了克服现有技术中在医用材料表面引入的抗粘附聚合物层和抗菌剂，但抗粘附能力和杀菌能力相互影响从而影响表面抗菌能力，以及多肽类抗菌剂自身不稳定的问题，本发明的目的在于提供一种在医用材料表面上制备抗菌表面的方法，避免了性能相互干扰，而且改善了抗菌剂在体内被酶降解的问题，获得更优异的长效抗菌性能。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种在医用材料表面上制备抗菌表面的方法，包括以下步骤：

(1)对医用材料表面进行氧等离子体预处理后，在医用材料表面进行化学接枝氨基硅烷，然后将表面接枝节氨基硅烷的医用材料与酰基化合物反应，制得原子转移自由基聚合的引发剂修饰表面的医用材料；

(2)将步骤(1)得到引发剂修饰表面的医用材料置于抗粘附单体自由基聚合混合溶液中进行接枝聚合反应，制得抗粘附聚合物刷修饰表面的医用材料；

(3)将步骤(2)得到的抗粘附聚合物刷修饰表面的医用材料置于含叠氮化合物的二甲基甲酰胺溶液中，制得叠氮化表面的医用材料；

(4)将步骤(3)制备的叠氮化表面的医用材料，置于抗菌剂的点击溶液中，进行点击反应，得到抗粘附聚合物层和抗菌剂层共修饰的抗菌表面。

步骤(1)所述氧等离子体预处理，具体为：

对医用材料表面进行氧等离子体预处理,工作参数为功率20-600W，压强20-120Pa，气体流速2-300ml/min，温度10-50℃，时间2-10min。

步骤(1)所述在医用材料表面进行化学接枝氨基硅烷，具体为：

将预处理后的医用材料浸入氨基硅烷的乙醇溶液中，反应5-24h；其中，氨基硅烷的乙醇溶液中，氨基硅烷的体积浓度为1-20％，温度10-40℃；

所述氨基硅烷为3-氨基丙基三乙氧基硅烷、11-氨基十一烷基三乙氧基硅烷、4-氨基丁基三乙氧基硅烷、N-氨乙基-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种。

步骤(1)将接表面枝节氨基硅烷的医用材料与酰基化合物反应，具体为：

将表面接枝节氨基硅烷的医用材料浸入酰基化合物的二氯甲烷溶液中，时间为0.5-24h；其中酰基化合物的二氯甲烷溶液中，酰基化合物的体积浓度为2-10％，缚酸剂体积浓度4-20％；

所述酰基化合物为2-溴异丁酰溴、2-溴丙酰溴、4-溴丁基氯酸、3-氯丙酰氯、4-氯戊酰氯中的一种或多种，缚酸剂为三乙胺、吡啶、N,N-二异丙基乙胺中一种或多种。

步骤(2)所述将步骤(1)得到引发剂修饰表面的医用材料置于抗粘附单体自由基聚合混合溶液中进行接枝聚合反应，具体为：

将步骤(1)得到引发剂修饰表面的医用材料置于原子转移自由基聚合混合溶液中进行接枝聚合反应；其中，混合溶液中水、甲醇体积比为1：0.5-1：3，抗粘附单体的质量浓度为2-20％，铜化合物的质量浓度为0.1％-1.2％，配体质量浓度为0.3％-3.6％，反应时间为0.5-24h，温度为10-50℃；

所述抗粘附单体为丙烯酰氧基磷酸胆碱、甲基丙烯酰氧基磷酸胆碱、丙烯酰胺基磷酸胆碱、甲基丙烯酰胺基磷酸胆碱、丙烯酰氧基磺酸甜菜碱、甲基丙烯酰氧基磺酸甜菜碱、丙烯酰胺基磺酸甜菜碱、甲基丙烯酰胺基磺酸甜菜碱、丙烯酰氧基羧酸甜菜碱、丙烯酰胺基羧酸甜菜碱、甲基丙烯酰胺基羧酸甜菜碱、乙烯基吡咯烷酮中的一种或多种。

步骤(3)所述将步骤(2)得到的抗粘附聚合物刷修饰表面的医用材料置于含叠氮化合物的二甲基甲酰胺溶液中，制得叠氮化表面的医用材料，具体为：

将步骤(2)得到的抗粘附聚合物刷修饰表面的医用材料置于含叠氮化合物的二甲基甲酰胺溶液中，反应4-24h，制得叠氮化表面的医用材料；

其中叠氮化合物的二甲基甲酰胺溶液中，叠氮化合物质量浓度为0.5-5％，温度40-80℃；

所述叠氮化合物为叠氮化钠、叠氮化锂中的一种或两种。

步骤(4)将步骤(3)制备的叠氮化表面的医用材料，置于抗菌剂的点击溶液中，进行点击反应，具体为：

将步骤(3)制备的叠氮化表面的医用材料，置于抗菌剂的点击溶液中，进行点击反应，反应时间1-5h，反应温度为温度20-50℃；

所述抗菌剂的点击溶液中，抗菌剂浓度为20-300μM，铜化合物浓度为0.5-5μM，配体浓度为5-50μM，抗坏血酸浓度为25-250μM；反应温度20-50℃，时间1-5h。

所述铜化合物为CuCl、CuSO₄、CuCl₂、CuBr、CuBr₂中的一种或多种。

所述配体为2,2'-联吡啶、四甲基乙二胺、五甲基二亚乙基三胺、六甲基三亚乙基四胺、三(N,N-二甲基胺基乙基)胺、N,N,N’,N”,N”-五甲基二乙烯基三胺、三[2-(二甲胺基)乙基]胺中的一种或多种。

所述抗菌剂为抗菌多肽，序列为Pra-Lys-Arg-Trp-Trp-Lys-Trp-Trp-Arg-Arg或Pra-Arg-Arg-Trp-Trp-Lys-Trp-Trp-Arg-Lys。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明通过在医用材料表面引入原子转移自由基聚合引发剂，先接枝抗粘附聚合物，再引入叠氮基，最后通过点击反应引入抗菌剂，从而在材料表面制备了抗粘附聚合物底层和抗菌剂上层双层双功能抗菌表面。由于抗粘附聚合物与抗菌剂位于不同接枝层内，不仅避免了性能相互干扰，而且改善了抗菌剂在体内被酶降解的问题，抗粘附聚合物与抗菌剂的协同作用赋予表面更优异的长效抗菌性能，并会减轻杀菌层对血液和体细胞的不良影响，可获得优良的生物相容性。本发明解决了由医疗器械引发的院内感染问题。

附图说明

图1为本发明的实施例1的在硅片表面上制备抗菌表面的方法的过程示意图。

图2为未经处理的硅基底表面的水接触角。

图3为本发明的实施例1的步骤(3)得到的抗粘附聚合物刷修饰表面的硅基底表面的水接触角。

图4为本发明的实施例1制备的抗粘附聚合物刷底层和抗菌剂上层双层共修饰的抗菌表面水接触角。

图5为未经处理的硅基底表面的表面形貌。

图6为本发明的实施例1制备的抗粘附聚合物刷底层和抗菌剂上层双层共修饰的抗菌表面的表面形貌。

图7为本发明的实施例1制备的抗粘附聚合物刷底层和抗菌剂上层双层共修饰的抗菌表面的X射线光电子能谱中C元素的分峰。

图8为本发明的实施例1制备的抗粘附聚合物刷底层和抗菌剂上层双层共修饰的抗菌表面的X射线光电子能谱中N元素的分峰。

图9为10⁶CFU/ml细菌在未经处理的硅基底表面培养2.5小时后细菌滋生情况。

图10为10⁶CFU/ml细菌在本发明的实施例1制备的抗粘附聚合物刷底层和抗菌剂上层双层共修饰的抗菌表面培养2.5小时后细菌滋生情况。

图11为比较例1和实施例1的样品用1mg/ml胰蛋白酶处理1,3,5分钟后表面的抗菌性能。

图12为比较例1制备的样品表面的水接触角。

图13为比较例1制备的样品表面的表面形貌。

图14为比较例1制备的样品表面的X射线光电子能谱中C元素的分峰。

图15为比较例1制备的样品表面的X射线光电子能谱中N元素的分峰。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例的在硅片表面上制备抗菌表面的方法，包括以下步骤：

(1)对硅基底表面进行氧等离子体预处理，工作参数为功率100W，压强20Pa,气体流速300ml/min，温度30℃，时间5min；将预处理后的硅基底浸入3-氨基丙基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中，在硅基底表面进行化学接枝氨基硅烷，反应温度30℃，时间5h；其中，3-氨基丙基三乙氧基硅烷体积浓度为2％。

(2)将表面接枝氨基硅烷的硅基底浸入酰基化合物的二氯甲烷溶液中，与酰基化合物反应，温度为20℃，时间为3h，制得原子转移自由基聚合引发剂修饰表面的硅基底表面；酰基化合物的二氯甲烷溶液中，2-溴异丁酰溴的体积浓度为2％，三乙胺体积浓度为4％。

(3)将引发剂修饰表面的硅基底置于原子自由基聚合混合溶液中进行接枝聚合反应，时间为2h，温度为25℃，得到抗粘附聚合物刷修饰表面的硅基底表面；混合溶液中水、甲醇体积比为1：1，混合溶液中的甲基丙烯酰氧基磺酸甜菜碱单体水溶液的质量浓度为5％，溴化铜的质量浓度为0.3％，2,2'-联吡啶质量浓度为0.9％。

(4)将抗粘附聚合物刷修饰表面的硅基底置于含叠氮化合物的二甲基甲酰胺溶液中，制得叠氮化表面的硅基底；叠氮化的反应条件为：叠氮化合物的二甲基甲酰胺溶液中，叠氮化钠质量浓度为5％，温度40℃，时间8h，制得末端叠氮化抗粘附聚合物修饰的表面。

(5)将所述叠氮化表面的医用材料经清洗后，置于抗菌剂(序列为Pra-Lys-Arg-Trp-Trp-Lys-Trp-Trp-Arg-Arg)的点击溶液中进行点击反应，温度37℃，时间2h，制得抗粘附聚合物刷底层和抗菌剂上层双层共修饰的抗菌表面；点击液中，抗菌剂浓度为100μM，硫酸铜浓度为1μM，配体三[2-(二甲胺基)乙基]胺浓度为10μM，抗坏血酸钠浓度为50μM。

未经处理的硅基底表面的水接触角如图2所示，本实施例的步骤(3)得到的抗粘附聚合物刷修饰表面的硅基底表面的水接触角如图3所示。本实施例制备的抗粘附聚合物刷底层和抗菌剂上层双层共修饰的抗菌表面水接触角如图4所示。由图2～4可知，经过各步骤处理后的接触角有明显的变化，说明抗粘附聚合物及抗菌剂的成功接枝。

未经处理的硅基底表面的表面形貌如图5所示，本实施例制备的抗粘附聚合物刷底层和抗菌剂上层双层共修饰的抗菌表面的表面形貌如图6示。由图5～6可知，经过各步骤处理后的表面形貌有明显的变化，说明抗粘附聚合物及抗菌剂的成功接枝。

本实施例制备的抗粘附聚合物刷底层和抗菌剂上层双层共修饰的抗菌表面的X射线光电子能谱中C元素的分峰如图7所示，N元素的分峰如图8所示。可知，抗粘附聚合物与抗菌剂均成功接枝到表面。

10⁶CFU/ml细菌在未经处理的硅基底表面和在本实施例制备的抗粘附聚合物刷底层和抗菌剂上层双层共修饰的抗菌表面培养2.5小时后细菌滋生情况分别如图9～图10所示。

本实施例制备的抗粘附聚合物刷底层和抗菌剂上层双层共修饰的抗菌表面用1mg/ml胰蛋白酶处理1,3,5分钟后表面的抗菌性能如图11所示。

比较例1

本比较例除未进行步骤(3)外，其他步骤均与实施例1同。

本比较例制备的样品表面的水接触角如图12所示，表面形貌如图13所示，用1mg/ml胰蛋白酶处理1,3,5分钟后表面的抗菌性能如图11所示；X射线光电子能谱中C元素的分峰如图14所示，N元素的分峰如图15所示。

对比实施例与比较例1，可知抗菌剂成功接枝到表面，但实施例中的抗菌剂接枝量小于比较例1，实施例具有更好的抗菌性能，同时也具有更好的抗酶解能力。

实施例2

本实施例的医用钛表面上制备抗菌表面的方法，包括以下步骤：

(1)对医用钛表面进行氧等离子体预处理,工作参数为功率50W，压强30Pa,气体流速30ml/min，温度30℃，时间3min；将预处理后的医用钛表面浸入3-氨基丙基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中，在医用钛表面接枝氨基硅烷的反应条件：3-氨基丙基三乙氧基硅烷体积浓度为8％，温度25℃，时间1h。

(2)将接枝节氨基硅烷表面的医用钛浸入酰基化合物的二氯甲烷溶液中，与酰基化合物反应，制得原子转移自由基聚合的引发剂修饰表面的硅基底表面；反应的条件为：2-溴丙酰溴体积浓度为8％，三乙胺体积浓度为16％，温度为20℃，时间为1h。

(3)将引发剂修饰表面的医用钛置于原子自由基聚合混合溶液中进行接枝聚合反应，混合溶液为水、甲醛体积比1：05，甲基丙烯酰胺基羧酸甜菜碱单体水溶液的质量浓度为10％，溴化铜的质量浓度为0.6％，2,2'-联吡啶质量浓度为1.8％，时间为0.5h，温度为37℃；叠氮化的反应条件为：叠氮化合物的二甲基甲酰胺溶液中，叠氮化钠质量浓度为2％，温度70℃，时间8h，制得末端叠氮化抗粘附聚合物修饰的表面。

(4)将所述叠氮化表面的医用材料经清洗后，置于抗菌剂(Pra-Arg-Arg-Trp-Trp-Lys-Trp-Trp-Arg-Lys)的点击溶液中，进行点击反应，抗菌剂浓度为200μM，氯化钠浓度为2μM，配体五甲基二亚乙基三胺浓度为20μM，抗坏血酸浓度为100μM，温度25℃，时间4h，制得抗粘附聚合物刷底层和抗菌剂上层双层共修饰的抗菌表面。

本实施例制备的抗粘附聚合物刷底层和抗菌剂上层双层共修饰的抗菌表面的测试结果与实施例1类似，在此不再赘述。

实施例3

本实施例的医用钛表面上制备抗菌表面的方法，包括以下步骤：

(1)对医用钛表面进行氧等离子体预处理，工作参数为功率400W，压强60Pa,气体流速250ml/min，温度30℃，时间10min；将预处理后的医用钛表面浸入3-氨基丙基三乙氧基硅烷的乙醇溶液中，在医用钛表面接枝氨基硅烷，反应条件：3-氨基丙基三乙氧基硅烷体积浓度为8％，温度25℃，时间0.5h。

(2)将表面接枝节氨基硅烷的医用钛浸入酰基化合物的溶液中，与酰基化合物反应，制得原子转移自由基聚合引发剂修饰表面的硅基底表面；反应条件为：2-溴异丁酰溴的体积浓度为8％，三乙胺体积浓度为16％，温度为25℃，时间为0.5h；

(3)将引发剂修饰表面的医用钛置于原子自由基聚合混合溶液中进行接枝聚合反应，混合溶液为水、甲醇体积比1：3，的丙烯酰氧基羧酸甜菜碱单体质量浓度为2％，溴化铜的质量浓度为0.2％，2,2'-联吡啶质量浓度为0.6％，时间为18h，温度为20℃；叠氮化的反应条件为：叠氮化合物的二甲基甲酰胺溶液中，叠氮化锂的质量浓度为1％，温度50℃，时间18h，制得末端叠氮化抗粘附聚合物修饰的表面。

(4)将所述叠氮化表面的医用材料经清洗后，置于抗菌剂的点击溶液中点击反应，抗菌剂浓度为50μM，硫酸铜浓度为1μM，配体三[2-(二甲胺基)乙基]胺浓度为10μM，抗坏血酸浓度为50μM，温度37℃，时间3h，制得抗粘附聚合物刷底层和抗菌剂上层双层共修饰的抗菌表面。

本实施例制备的抗粘附聚合物刷底层和抗菌剂上层双层共修饰的抗菌表面的测试结果与实施例1类似，在此不再赘述。

本发明的氨基硅烷还可为3-氨基丙基三乙氧基硅烷、11-氨基十一烷基三乙氧基硅烷、4-氨基丁基三乙氧基硅烷、N-氨乙基-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、N-β-(氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷中的一种或多种。

本发明的酰基化合物还可为2-溴异丁酰溴、2-溴丙酰溴、4-溴丁基氯酸、3-氯丙酰氯、4-氯戊酰氯中的一种或多种，缚酸剂为三乙胺、吡啶、N,N-二异丙基乙胺中一种或多种。

本发明的抗粘附单体还可为丙烯酰氧基磷酸胆碱、甲基丙烯酰氧基磷酸胆碱、丙烯酰胺基磷酸胆碱、甲基丙烯酰胺基磷酸胆碱、丙烯酰氧基磺酸甜菜碱、甲基丙烯酰氧基磺酸甜菜碱、丙烯酰胺基磺酸甜菜碱、甲基丙烯酰胺基磺酸甜菜碱、丙烯酰氧基羧酸甜菜碱、丙烯酰胺基羧酸甜菜碱、甲基丙烯酰胺基羧酸甜菜碱、乙烯基吡咯烷酮中的一种或多种。

本发明的铜化合物还可为CuCl、CuSO₄、CuCl₂、CuBr、CuBr₂中的一种或多种。

本发明的配体还可为2,2'-联吡啶、四甲基乙二胺、五甲基二亚乙基三胺、六甲基三亚乙基四胺、三(N,N-二甲基胺基乙基)胺、N,N,N’,N”,N”-五甲基二乙烯基三胺、三[2-(二甲胺基)乙基]胺中的一种或多种。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

SEQUENCE LISTING

<110> 华南理工大学

<120> 一种在医用材料表面上制备抗菌表面的方法

<130> 1

<160> 2

<170> PatentIn version 3.5

<210> 1

<211> 30

<212> PRT

<213> Artificial Sequence

<220>

<223> 1

<400> 1

Pro Arg Ala Leu Tyr Ser Ala Arg Gly Thr Arg Pro Thr Arg Pro Leu

1 5 10 15

Tyr Ser Thr Arg Pro Thr Arg Pro Ala Arg Gly Ala Arg Gly

20 25 30

<210> 2

<211> 30

<212> PRT

<213> Artificial Sequence

<220>

<223> 2

<400> 2

Pro Arg Ala Ala Arg Gly Ala Arg Gly Thr Arg Pro Thr Arg Pro Leu

1 5 10 15

Tyr Ser Thr Arg Pro Thr Arg Pro Ala Arg Gly Leu Tyr Ser

20 25 30