一种近红外光控制可抗菌防污抗氧化的柔性涂层

本发明公开了一种近红外光控制可抗菌防污抗氧化的柔性涂层，具体是一种应用于医疗器械的医用涂层，属于涂层材料。

背景技术：

1、随着国民经济发展，人们对健康生活的追求逐步增加。近年来，我国医疗器械临床使用量逐年攀升，相关产业具有极大市场和发展潜力。然而，海量医疗器械使用过程中面临细菌感染风险，使患者在生理及经济上蒙受了巨大损失。赋予医疗器械抗菌性能、有效降低细菌性感染风险是当前医疗器械研发中的卡脖子技术问题。

2、针对此类问题，目前最常规手段是使用抗生素抑制细菌生长及进行杀灭。然而，长期或者过量使用抗生素将导致细菌耐药性产生，最终使抗生素失效。抗生素滥用情况若持续恶化，将催生超级细菌，给人类社会造成不可避免的灾难。因此，开发新型的不使用抗生素的抗菌手段是目前的研究热点。

3、非抗生素的抗菌手段主要有两种形式：1）防污抗黏附2）主动杀菌。防污抗粘附方式通过阻断细菌在医疗器械表面粘附降低其被细菌感染的风险。然而，一旦细菌粘附其上进行增殖会形成细菌生物膜，导致防污抗黏附抗菌失效。此时，需对其进行主动灭菌。在众多主动灭菌手段中，光热抗菌正逐步成为业界关注的焦点。其原理是，利用近红外光辐照将光能转化为医疗器械表界面的局部高温，导致粘附其上细菌的细胞膜损坏、促使蛋白质/酶变性等，达到高效灭菌的目的。此类方法具有远程可控性、非侵入性、位点特异性、深层组织渗透性等优势，是一种安全有效的广谱抗菌手段。

4、氧化应激是体内氧化与抗氧化作用失衡的一种状态，是由细胞产生和清除的活性氧（ros）不平衡引起的。当分子氧和来自物质能量代谢的电子转变为自由基，在细胞内堆积，会破坏脂质、蛋白质等生物分子结构，抑制酶活力，对细胞造成无法弥补的损伤，进一步引发炎症和多种并发症。应对氧化应激最有效的手段就是中止由自由基引发的链锁反应，破坏单线态氧、过氧化氢和羟基自由基之间的转变，阻止氧化过程的继续传递和进行，中和、去除或转化多余的自由基，帮助细胞维持健康的氧化还原平衡。然而，当前常用的医疗器械并不具备抗氧化功能。

5、现在常用的医疗器械制备材料种类繁多，常用的包括金属、、玻璃和高分子聚合物等。除材料选择种类较多外，根据不同使用环境，医疗器械还具有各自特殊的复杂形状和结构。因此，赋予其抗菌、抗氧化功能需综合考虑使用材料、形状结构及制备难易度。目前常规的表面改性手段大多针对特定材料，且对设备、待改性器械形状要求较高，导致其大规模临床应用存在局限性。

6、金属-酚醛网络(mpns)是一种高效、成本低廉且简单易操作的表面改性方法。通过金属离子和酚配体络合，自组装强配位金属-酚络合物在材料表面形成稳定的无定形薄膜，从而实现医疗器械的一步改性。在保证生物相容性的同时，络合的金属离子可赋予涂层抗菌、抗氧化等功能。

7、单宁酸（ta）是从天然来源中分离出来的一种代表性的天然酚类化合物，已被美国药品监督管理局（fda）批准用于食品医药领域。ta分子中含有大量的酚羟基可以作为天然的交联剂，能与许多有机/无机基材表面发生相互作用，具有与基体无关的粘附特性。可以通过还原反应向环境中释放电子、h+离子，具有天然的抗氧化、抗菌和抗病毒活性。单宁酸与聚乙二醇（peg）结合后具有优异的的防污性能，可以抵抗细菌粘附以及非特异性蛋白质吸附。尽管其抗污型涂层毒副作用低，但是其抗菌效果并不显著，防止细菌粘附只能降低感染风险，不得不考虑同其他方式相协同高效杀菌。

8、钒（v）是人体的一种微量元素，其化合物具有多种多样的生物活性和低的毒性，在生物和医疗领域有着广泛的应用。当ta与三价钒离子发生络合时，能赋予mpns优异的光热响应性能，当近红外光（nir）照射时，可控的将光能转化为局部的高温破坏细菌膜的完整性、促使蛋白质/酶变性，具有广谱抗菌的抗菌效果。由于ta酚羟基可自氧化形成醌基提供电子，可作为三价钒离子保护剂，使钒离子保持三、四价稳态。钒离子作为电子给体能够高效中和环境中自由基（超氧自由基、羟基自由基等），最终阻止氧化过程的继续传递和进行。

9、鉴于此，本发明公开了一种近红外光控制可抗菌防污抗氧化的柔性涂层。通过简单的一步合成法，以单宁酸作为氢键给体，以聚乙二醇链作为质子受体，以钒离子为固定锚点，在表面构建v-mpns涂层，为涂层材料技术领域提供一种设想。

技术实现思路

1、
技术实现要素：
针对以上技术背景问题，本发明的提出了一种近红外光控制可抗菌防污抗氧化的柔性涂层及其制备方法。该方法能灵活调整表面涂层的厚度、化学成分和稳定性。其涂层可以沉积于任意有机或无机材料表面，具有自发抗细菌和蛋白质粘附的防污功能，在近红外光辐照下可实现高效抗菌作用，能够有效应对氧化应激。本发明通过简单、快捷的一步合成法，以单宁酸的邻苯三酚作为键合接头是氢键给体，以聚乙二醇链作为“线”是质子受体，两者之间形成稳固氢键，以钒离子为固定锚点同单宁酸形成配位键，加速单宁酸分子聚合，在表面构建v-mnps涂层。此柔性涂层能够经受外部作用力产生的微小变形，具有一定的抗变形能力。利用单宁酸的邻三苯酚基团自氧化形成醌基团并聚合，能在任意有机无机材料表面结合沉积，有效改善表面的亲水性，削弱基质和污垢之间的粘附，有效抑制细菌和蛋白质的非特异性粘附。赋予表面优异的光热抗菌性能，在0.6 w/cm2的808 nm近红外光辐照下可将界面温度提升至56℃及以上，破坏界面粘附细菌的细胞膜、促使蛋白质/酶变性，实现99%及以上的高效抗菌。该涂层将单宁酸和钒离子的优势整合，由于ta本身的抗氧化性能，其羟基可自氧化形成醌基提供电子，可作为保护剂避免三价钒离子氧化，使钒离子保持三价稳态，能作为电子给体能够高效中和环境中自由基（超氧自由基、羟基自由基等），最终阻止氧化过程的继续传递和进行，应用前景广泛。

2、本发明通过以下技术方案加以实现：

3、公开一种近红外光控制可抗菌防污抗氧化的柔性涂层，其特征在于，该涂层可以沉积于任意表面，具有自发抗细菌和蛋白质粘附的防污功能，在近红外光辐照下可实现高效抗菌作用，能够有效应对氧化应激。所述涂层的普适沉积特性是由单宁酸的邻三苯酚基团自氧化形成醌基，并在有机和无机表面聚合沉积实现的；所述涂层的防污功能是由亲水的聚乙二醇和单宁酸形成水合层，亲水表面上水分子削弱基质和污垢之间的粘附，进而抑制细菌或蛋白质的粘附实现的；所述涂层的近红外光辐照下高效的抗菌性能是由钒离子络合单宁酸形成配位键，增强涂层对近红外光的吸收，推动光能向热能转化，提升界面温度实现的；所述涂层的抗氧化性能是单宁酸络合钒离子后保持三价和四价，通过在两个价态之间来回转换，有利于电子空穴对的分离，形成h+离子/电子给体、进而高效中和环境中自由基（超氧自由基、羟基自由基等），最终阻断氧化进行与传递实现的；

4、所述的近红外光控制可抗菌防污抗氧化柔性涂层的制备方法，包括如下步骤：

5、（1）首先，选用一种有机或者无机的基体材料，使用酒精、去离子水洗净后干燥备用；

6、（2）其次，将聚乙二醇和单宁酸在一定温度下溶解于有机溶剂中，将氯化钒溶解于去离子水中，混合两种溶液，得到反应前驱体溶液；

7、（3）最后，将步骤（1）基体材料浸入步骤（2）反应前驱体溶液，低温静置一段时间，取出用无水乙醇冲洗并真空干燥后得到该涂层；

8、进一步，所述涂层在近红外光辐照下可将界面温度提升至56℃及以上，从而破坏界面粘附细菌的细胞膜、促使蛋白质/酶变性，实现99%及以上的高效抗菌；

9、进一步，所述涂层有效改善表面的亲水性，可有效改善被沉积基体表面的亲水性，削弱基质和污垢之间的粘附，有效抑制细菌的粘附和蛋白质的非特异性粘附，可自发减少50%以上的细菌粘附；

10、进一步，所述涂层可实现常态条件下的抗氧化功能，能够中和超氧自由基和过氧化氢，阻止氧化过程的继续传递和进行维持活性氧平衡，快速高效清除体内外活性氧，防止氧化应激；

11、进一步，所述的步骤（1）的基体材料的包括金属及其合金、生物陶瓷和复合材料，加工成尺寸为10 mm*10 mm的片状，随后分别使用丙酮、酒精、去离子水超声清洁基体表面并干燥待用；

12、进一步，所述的步骤（2）的有机溶剂为无水乙醇，溶液温度为65℃，其中包含1 g/l的聚乙二醇，3 g/l的单宁酸，0.05 g/l氯化钒；

13、进一步，所述的步骤（3）的浸泡时间为6 h，沉积温度为4℃，所述的近红外光波长为808 nm，近红外光的激发功率为0.6 w/cm2。

14、有益效果：

15、（1）本发明的近红外光控制可抗菌防污抗氧化的柔性涂层，原材料成本低廉，来源广泛，通过简单、快捷的一步合成法，可灵活调整表面涂层的厚度、化学成分和稳定性，能在任意有机和无机表面沉积，改善其亲水性，有效地防止细菌和蛋白质的粘附；

16、（2）具有与基体材料无关的光热是效果，赋予材料表面广谱的光热抗菌性能，在0.6 w/cm2的808 nm近红外光辐照下可将界面温度提升至56℃及以上，从而破坏界面粘附细菌的细胞膜、促使蛋白质/酶变性，实现99%及以上的高效抗菌；

17、（3）可实现常态条件下的抗氧化功能，阻止氧化过程的继续传递和进行维持活性氧平衡，快速高效清除过量活性氧，防止氧化应激。