专利名称：一种纳米涂层的制备方法及由其制备的抗菌纳米涂层的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米涂层的制备方法及由该方法制备得到的抗菌纳米涂层，尤其涉及一种采用低温等离子体聚合技术制备纳米涂层的方法以及一种适用于医疗卫生领域的抗菌纳米涂层。
背景技术：
随着医疗水平和人们健康意识的提高，自身具有杀灭或抑制微生物功能的一类新型功能的抗菌材料及使用其的抗菌涂层技术被越来越多地用于医疗领域、家庭用品、家用电器、食品包装等领域。市面上常见的抗菌涂层按材料分类主要有三大类:
第一类是金属化合物抗菌剂涂层，主要是利用银、铜、锌等金属的抗菌能力进而得抗菌涂层，其中银离子涂层抗菌杀菌效果最好、最为常用，中国专利CN101125970A、CN101073434A和CN102026589A，及美国专利US4340043、US6087549等公开了以银离子抗菌材料制备涂层的技术，但该类金属化合物涂层普遍成本较高，且若用于中长期医用介入物则有可能导致人体内重金属中毒、并造成体液盐类沉积；
第二类是有机抗菌剂涂层，包括有机小分子抗菌剂涂层和常规化学聚合法得到的聚合物抗菌剂涂层，有机小分子涂层如中国专利CN101545203、CN101418517、US5064613及US8092824公开的季铵盐及其衍生物类抗菌剂涂层，聚合物抗菌剂涂层如中国专利CN1292806C、CN100346847C、CN100413546 和美国专利 US7597903 和 US6936345 等公开的壳聚糖、葡聚糖等天然聚合物抗菌剂涂层，该类有机抗菌剂涂层大体上抗菌光谱性较好，成本也远低于银离子涂层，但仍存在着较明显的缺陷:①有机小分子抗菌剂涂层较不稳定，易导致其有机小分子化合物分解和释放，从而降低抗菌性能，难以满足中长期的抗菌，且难以预计其分解或释放的产物对人 体是否产生危害，②聚合物抗菌剂涂层较为稳定，但由于其一般是用喷涂、浸涂、镀膜、化学沉积或溶胶凝胶等工艺制得，使该类涂层和基底材料之间的结合力较弱，在使用过程中易产生涂层剥离的现象；
第三类是抗生素或药物涂层，如中国专利CN100346847C、CN101653635和美国专利US5217493公开的青霉素、洗必泰、环丙沙星、米诺环素、利福平等抗生素或药物涂层，该类涂层大多通过和细菌相互间的特殊生物作用使细菌死亡或失活，比较适合于急性的或短期快速的杀菌抗菌，如果将其作为长期抗菌介质使用易诱导产生耐药细菌。因此，开发一种抗菌效果好、持续性强，同时又较为稳定和成本低廉，且对人体产生的副作用较小的抗菌涂层势在必行。低温等离子体是继固态、液态、气态之后的物质第四态，通过外加电压产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。现有的等离子体辅助加工被用来制造特种优良性能的新材料，研制新的化学物质和化学过程，加工、改造和精制材料及其表面，如薄膜沉积、等离子体聚合、等离子体喷涂等。现有的在医用植入物或支架表面制备等离子体聚合物涂层或薄膜的技术，如专利美国 US20110060402A1 和 US20050249777A1 公开的技术，或如文献“L.Zhou, et al., ThinSolid Films, 2012，520(7):2505-2509”、“T.He, et al., 2012, Materials Scienceand Engineering C, 32:1025 - 1031”、“王海波等，功能材料，2008，39 (7): 1193-1196”、“杨志禄等，功能材料，2008，39(9): 1559-1566”、“闻峰等，生物医学工程研究，2008，27 (4):268-271”公开的技术，主要是先将乙二醇、丙烯酸、甲基丙烯酸、六甲基二硅氧烷等单体在基底材料表面缩聚成聚合物涂层或薄膜，再通过该涂层或薄膜来对生物大分子、如蛋白质、抗体、酶、核酸等产生固定、吸附或排斥作用，从而完成对医用植入物或支架表面亲水、抗凝血、生物相容、抗腐蚀等性能的改善，或直接在聚合物涂层或薄膜中加入药物以进一步地在体内进行药物治疗。
发明内容
本发明的目的是提供一种纳米涂层的制备方法及由该方法制备得到的抗菌纳米涂层，尤其涉及一种采用低温等离子体聚合技术将多类有机单体聚合到多种基底材料表面的制备方法，以及一种适用于医疗卫生领域的抗菌纳米涂层。本发明的目的通过下述技术方案来实现:
一种纳米涂层的制备方法，包括如下步骤:
预处理步骤:将由基底材料制成的基底放入等离子体腔室内，对所述等离子体腔室抽真空，通入非聚合性气体，开启所述等离子体腔室电极电源进行放电，对所述基底进行预处理；
聚合沉积步骤:将有聚合能力的有机单体以气体形式通入所述等离子体腔室内，开启所述等离子体腔室电极电源进行放电，产生有机单体等离子体，所述有机单体等离子体在所述等离子体腔室内发生聚合反应、生成聚合物等离子体，所述聚合物等离子体沉积在所述基底表面形成纳米涂层。本发明方法优选地，在所述预处理步骤或所述聚合沉积步骤中的等离子体腔室电极电源的放电方式为连续射频放电，其连续射频放电功率为10 W 1000 W。本发明方法优选地，在所述预处理步骤或所述聚合沉积步骤中的等离子体腔室电极电源的放电方式为脉冲射频放电，其脉冲射频放电功率为10 W 1000 W、脉冲占空比为
I% 99 %。本发明方法优选地，所述预处理步骤中的等离子体腔室内真空度保持在5 Pa 100 Pa之间,温度保持在45 °C以下,所述非聚合性气体的流量在10 sccm 100 sccm之间，所述放电时间为2 min 20 min。本发明方法优选地，所述聚合沉积步骤中的等离子体腔室内真空度保持在5 Pa 100 Pa之间，温度保持在45 °C以下，所述有机单体以气体的流量在20 sccm 200 sccm之间，所述放电时间为10 min 120 min。本发明方法优选地,所述非聚合性气体为包括氩气、氦气或氮气的一种或多种组合。本发明方法优选地 ，所述有机单体为至少含有一种特定基团的下述一种或多种组合:环氧乙烷、乙二醇、聚乙二醇、乙二醇二甲醚、丙烯醇、卤代酚、丙烯醛、丙烯酸、烯丙胺、正丁胺、丙烯酰胺、丙烯腈、甲基丙烯腈、乙烯亚胺、氨基酸、氨基酸衍生物、吡啶、吡啶衍生物、胍、胍衍生物、季铵盐、季铵盐衍生物、季膦盐及其衍生物。
本发明方法优选地，所述特定基团包括环氧基、醇羟基、酚羟基、醛基、羧基、腈基、伯胺基、仲胺基、叔胺基、季胺基、亚胺基、酰齒基或季膦基。本发明方法优选地，制成所述基底材料层的基底材料包括下述至少一种天然高分子材料:纤维素、壳聚糖、胶原蛋白、蚕丝蛋白、聚乳酸或聚乳酸-羟基乙酸。本发明方法优选地，制成所述基底材料层的基底材料包括下述至少一种合成高分子材料:聚丙烯、高密度聚乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚酰胺、聚氨酯、硅橡胶或乳胶。本发明方法优选地，制成所述基底材料层的基底材料包括下述至少一种材料:硅片、玻璃、不锈钢、镍合金、钛合金。本发明方法优选地，所述基底是由基底材料制成的纤维、丝线、织造布、无纺布、薄膜、薄片、导管、或支架。本发明还包括一种抗菌纳米涂层，所述抗菌纳米涂层是由上述任意一种纳米涂层的制备方法制得的纳米涂层。本发明一种抗菌纳米涂层进一步地,所述纳米涂层的厚度为20 nm 200 nm。本发明的应用施行使其显著技术效果主要体现在:
①本发明方法制备的聚合物等离子体的纳米涂层与基底材料是通过十分牢固的共价键结合，不易被外界坏境破坏或影响，从而实现非药物性抗菌；
②与传统银离子、有机小分子、常规聚合物及抗生素药物这几类抗菌涂层相比，本发明具有成本较低、使用安全的特点；
③通过本发明方法制备的等离子体聚合物的纳米涂层可以保留有机单体的大多数特征基团，有利于纳米涂层抗菌功效的设计；
④本发明方法制备的纳米涂层可以在较长时间内保持杀灭或抵抗多种细菌及霉菌的作用，抗菌效果好且抗菌谱较广。以下便结合附图，对本发明的具体实施方式
作进一步的详述，以使本发明技术方
案更易于理解、掌握。
图1A是本发明实施例1乙烯亚胺-丙烯酸等离子体二元共聚抗菌纳米涂层的显微镜2D；
图1B是本发明实施例1乙烯亚胺-丙烯酸等离子体二元共聚抗菌纳米涂层的显微镜3D；
图2是本发明实施例1乙烯亚胺-丙烯酸等离子体二元共聚抗菌纳米涂层的X射线光电子能谱 图3是本发明实施例2乙烯亚胺-丙烯酸等离子体二元共聚抗菌纳米涂层的X射线光电子能谱 图4A是本发明实施例1乙烯亚胺-丙烯酸等离子体二元共聚抗菌纳米涂层上未经染色，细菌粘附在其表面上的示意图； 图4B是本发明实施例1乙烯亚胺-丙烯酸等离子体二元共聚抗菌纳米涂层EB染色后，在紫外光下细菌粘附在其表面上的示意图；图4C是本发明实施例1乙烯亚胺-丙烯酸等离子体二元共聚抗菌纳米涂层AO染色后，在紫外光下细菌粘附在其表面上的示意图。
具体实施例方式下面结合附图与具体实施例对本发明进行说明，所举的实施例仅是对本发明产品或方法作概括性例示，有助于更好地理解本发明，但并不会限制本发明范围。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。本发明旨在于提供一种利用低温等离子体聚合技术制备纳米涂层的方法，以及与之对应的至少一种聚合物抗菌纳米涂层，通过选择不同的有机单体和/或调控等离子体聚合的工艺可以获得不同抗菌功效的涂层，并且，通过有机单体等离子体可以制备常规聚合技术得不到或难以得到的基团及聚合物，并在反应过程中使聚合产物直接沉积在基底材料上且形成牢靠的共价键合，使沉积的涂层具有优良的耐药品性、热稳定性及机械性能。本发明一种纳米涂层的制备方法，包括如下步骤:
预处理步骤:将由基底材料制成的基底放入等离子体腔室内，对所述等离子体腔室抽真空，通入非聚合性气体，开启所述等离子体腔室电极电源进行放电，对所述基底进行预处理。聚合沉积步骤:将有聚合能力的有机单体以气体形式通入所述等离子体腔室内，开启所述等离子体腔室电极电源进行放电，产生有机单体等离子体，所述有机单体等离子体在所述等离子体腔室内发生聚合反应、生成聚合物等离子体，所述聚合物等离子体沉积在所述基底表面形成纳米涂层。反应广物在特定的基底材料上形成稳定的、具有一定抗菌活性的纳米涂层，并与基底材料一起最终实现抗菌应用。具体实施地，在所述预处理步骤或所述聚合沉积步骤中的等离子体腔室电极电源的放电方式为连续射频放电，其连续射频放电功率为10 W 1000 W。在所述预处理步骤或所述聚合沉积步骤中的等离子体腔室`电极电源的放电方式为脉冲射频放电，其脉冲射频放电功率为10 W 1000 W、脉冲占空比为I % 99 %。所述预处理步骤中的等离子体腔室内真空度保持在5 Pa 100 Pa之间，温度保持在45 °C以下，所述非聚合性气体的流量在10 sccm 100 sccm之间,所述放电时间为2 min 20 min。所述聚合沉积步骤中的等离子体腔室内真空度保持在5 Pa 100 Pa之间，温度保持在45 °C以下，所述有机单体以气体的流量在20 sccm 200 sccm之间,所述放电时间为10 min 120 min。本发明实施例所述非聚合性气体为包括但不限于氩气、氦气或氮气的一种或多种组合；所述有机单体为至少含有一种特定基团的下述一种或多种组合:环氧乙烷、乙二醇、聚乙二醇、乙二醇二甲醚、丙烯醇、卤代酚、丙烯醛、丙烯酸、烯丙胺、正丁胺、丙烯酰胺、丙烯腈、甲基丙烯腈、乙烯亚胺、氨基酸、氨基酸衍生物、吡啶、吡啶衍生物、胍、胍衍生物、季铵盐、季铵盐衍生物、季膦盐及其衍生物。在等离子体聚合条件下，上述具有抗菌活性的基团，即原有机单体带有的特定基团或/和聚合反应生成的新基团，在新成型的纳米涂层表面以较高的密度和/或较高的稳定性存在，使该纳米涂层可以直接杀灭有害的细菌和霉菌。上述有机单体，在所述范围内适当地改变组合而制得的涂层具有不同程度的抗菌活性。如，以乙烯基吡啶和卤代酚为单体进行等离子体二元共聚生成的聚季铵盐涂层和单纯以卤代酚为单体制备的等离子体聚合物涂层，前者一般具有非常强的抗菌活性，而后者抗菌活性相对弱一些。本发明实施例所述特定基团包括但不限于环氧基、醇羟基、酚羟基、醛基、羧基、腈基、伯胺基、仲胺基、叔胺基、季胺基、亚胺基、酰齒基或季膦基。进一步地，制成所述基底材料层的基底材料包括下述至少一种天然高分子材料:纤维素、壳聚糖、胶原蛋白、蚕丝蛋白、聚乳酸或聚乳酸-羟基乙酸；制成所述基底材料层的基底材料包括下述至少一种合成高分子材料:聚丙烯、高密度聚乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚酰胺、聚氨酯、硅橡胶或乳胶；制成所述基底材料层的基底材料包括下述至少一种材料:硅片、玻璃、不锈钢、镍合金、钛合金；所述基底是由基底材料制成的纤维、丝线、织造布、无纺布、薄膜、薄片、导管、或支架。根据本发明方法可制备得到一种抗菌纳米涂层，所述纳米涂层的厚度为20 nm 200 nm。由本发明方法制备的聚合物等离子体的纳米涂层与基底材料是通过十分牢固的共价键结合，正常情况下不会或很难从基底材料上释放或解离，且最终实现的是非药物性抗菌，可以对银离子、有机小分子、常规聚合物及抗生素药物这几类抗菌涂层形成替代。目前国内市场上还没有出现使用本发明同类技术制造的抗菌产品，因此本发明所包含的技术在医疗及卫生领域相当广阔的应用前景。[实施例1]以硅片为基底材料层的乙烯亚胺-丙烯酸等离子体二元共聚物抗菌纳米涂层的制备
以光滑的硅片为基底材料，用乙烯亚胺和丙烯酸两种有机单体进行等离子体共聚。首先，以氩气为非聚合性气体对硅片进行预处理，氩气流量为10 sccm，保持真空度飞0 Pa在连续射频等离子体中放电3 min,放电功率为80 W ;将二种有机单体分别在等离子体仪附带的接枝仪中汽化并以一定的摩尔比混合，如8:2，或9:1 ;打开接枝仪阀门将混合单体的气体以60 sccm的流量引入等离子体腔室中，在真空度70 Pa，放电功率为80 W的条件下放电15 min制得乙烯亚胺-丙烯酸等离子体二元共聚物抗菌纳米涂层。
[实施例2]以纤维素无纺布为基底材料层的乙烯亚胺-丙烯酸等离子体二元共聚抗菌纳米涂层的制备
选用和实施例1中相同的乙烯亚胺和丙烯酸混合单体来进行等离子体共聚，基底材料层则为纤维素无纺布。首先，以氮气为非聚合性气体对纤维素无纺布进行预处理，氮气流量为30 sccm,保持真空度 40 Pa在脉冲射频等离子体中放电2 min,脉冲占空比为40%，放电功率为50 W ;混合单体的摩尔比与实施例1不同，如6:4，或7:3，气化后的单体混合气体以80 sccm的流量引入等离子体腔室中，保持真空度50 Pa、放电功率50 W条件下放电20min,制得乙烯亚胺-丙烯酸等离子体二元共聚物抗菌纳米涂层。[实施例3]以医用不锈钢为基底的乙二醇-丙烯醛-丙烯酸的等离子体三元共聚抗菌纳米涂层
以医用不锈钢片为基底，选用乙二醇、丙烯醛以及丙烯酸三种单体进行等离子体共聚，同实施例1，它们也都在各自的等离子体仪附带的接枝仪中汽化并以一定的摩尔比混合，如6:2:2，或7:1.5:1.5。首先，将医用不锈钢片放入等离子体腔室在氩气气氛下预处理，氩气流量为10 sccm，保持真空度70 Pa在连续射频等离子体中放电2 min，放电功率为100 W ；将混合单体的气体以60 sccm的流量引入等离子体腔室中，保持真空度70 Pa的条件放电10 min，放电功率为150 W。带有缩醛、半缩醛或/和它们的水合单元的等离子体共聚物涂层紧紧结合在不锈钢表面，由于缩醛、半缩醛及它们的水合单元都具有较强的光谱抗菌性，而等离子体的制备条件下更是赋予其相当高的稳定性，几乎没有刺激性的醛类释放，能有效地保障医用安全性。[实施例4]以乳胶导管为基底的丙烯酸五氯酚酯-4-乙烯基吡)等离子体二元共聚抗菌纳米涂层
以乳胶导管为基底材料，选用一种乙烯基吡啶单体和一种卤代酚单体进行等离子体共聚合，如丙烯酸五氯酚酯和4-乙烯基吡啶，它们可通过各自的喷雾装置进入等离子体腔室并以一定的摩尔比混合，如1:1，或10:1。首先，将乳胶导管在氮气气氛下预处理，氩气流量为20 sccm，真空度80 Pa，在连续射频的等离子体腔室中放电5 min，放电功率为200 W ;将混合单体的喷雾以100 sc cm的流量(等效流量)引入等离子体腔室中，保持真空度80 Pa的条件放电45 min，放电功率也为200 W。由于卤代酚基和叔胺基的存在，等离子体聚合反应会生成稳定的季铵盐聚合物(为等规共聚物、嵌段共聚物及接枝共聚物三者的混合物)，季铵盐聚合物涂层有很强的杀菌能力和稳定性，且对人体无害。以上各实施例的抗菌纳米涂层，厚度都在100 nm以下，几乎不影响基底材料的力学性能，且都能比较均匀地分布在基底材料表面。例如，如图1A、图1B和表I所示，实施例1中的乙烯亚胺-丙烯酸等离子体二元共聚抗菌纳米涂层密集分布在硅片表面，涂层上下起伏不大，厚度在50 nm左右，均方根粗糙度只有2.9 nm，表面仍然比较光滑。以上所有涂层较好的制备工艺并不限于各实施例所述的参数条件。表1实施例1中乙烯亚胺-丙烯酸等离子体+元共聚抗菌纳米涂层的粗糙度
权利要求
1.一种纳米涂层的制备方法，其特征在于包括如下步骤: 预处理步骤:将由基底材料制成的基底放入等离子体腔室内，对所述等离子体腔室抽真空，通入非聚合性气体，开启所述等离子体腔室电极电源进行放电，对所述基底进行预处理； 聚合沉积步骤:将有聚合能力的有机单体以气体形式通入所述等离子体腔室内，开启所述等离子体腔室电极电源进行放电，产生有机单体等离子体，所述有机单体等离子体在所述等离子体腔室内发生聚合反应、生成聚合物等离子体，所述聚合物等离子体沉积在所述基底表面形成纳米涂层。
2.根据权利要求1所述的一种纳米涂层的制备方法，其特征在于:在所述预处理步骤或所述聚合沉积步骤中的等离子体腔室电极电源的放电方式为连续射频放电，其连续射频放电功率为10 W 1000 W。
3.根据权利要求1所述的一种纳米涂层的制备方法，其特征在于:在所述预处理步骤或所述聚合沉积步骤中的等离子体腔室电极电源的放电方式为脉冲射频放电，其脉冲射频放电功率为10 W 1000 W、脉冲占空比为I % 99 %。
4.根据权利要求1所述的一种纳米涂层的制备方法，其特征在于:所述预处理步骤中的等离子体腔室内真空度保持在5 Pa 100 Pa之间，温度保持在45 °C以下，所述非聚合性气体的流量在10 sccm 100 sccm之间,所述放电时间为2 min 20 min。
5.根据权利要求1所述的一种纳米涂层的制备方法，其特征在于:所述聚合沉积步骤中的等离子体腔室内真空度保持在5 Pa 100 Pa之间，温度保持在45 °C以下，所述有机单体以气体的流量在20 sccm 200 sccm之间,所述放电时间为10 min 120 min。
6.根据权利要求1所述的 一种纳米涂层的制备方法，其特征在于:所述非聚合性气体为包括氩气、氦气或氮气的一种或多种组合。
7.根据权利要求1所述的一种纳米涂层的制备方法，其特征在于:所述有机单体为至少含有一种特定基团的下述一种或多种组合:环氧乙烷、乙二醇、聚乙二醇、乙二醇二甲醚、丙烯醇、卤代酚、丙烯醛、丙烯酸、烯丙胺、正丁胺、丙烯酰胺、丙烯腈、甲基丙烯腈、乙烯亚胺、氨基酸、氨基酸衍生物、吡啶、吡啶衍生物、胍、胍衍生物、季铵盐、季铵盐衍生物、季膦盐及其衍生物。
8.根据权利要求7所述的一种纳米涂层的制备方法，其特征在于:所述特定基团包括环氧基、醇羟基、酚羟基、醛基、羧基、腈基、伯胺基、仲胺基、叔胺基、季胺基、亚胺基、酰卤基或季勝基。
9.根据权利要求1所述的一种纳米涂层的制备方法，其特征在于:制成所述基底材料层的基底材料包括下述至少一种天然高分子材料:纤维素、壳聚糖、胶原蛋白、蚕丝蛋白、聚乳酸或聚乳酸-羟基乙酸。
10.根据权利要求1所述的一种纳米涂层的制备方法，其特征在于:制成所述基底材料层的基底材料包括下述至少一种合成高分子材料:聚丙烯、高密度聚乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚酰胺、聚氨酯、硅橡胶或乳胶。
11.根据权利要求1所述的一种纳米涂层的制备方法，其特征在于:制成所述基底材料层的基底材料包括下述至少一种材料:娃片、玻璃、不锈钢、镍合金、钛合金。
12.根据权利要求1所述的一种纳米涂层的制备方法，其特征在于:所述基底是由基底材料制成的纤维、丝线、织造布、无纺布、薄膜、薄片、导管、或支架。
13.一种抗菌纳米涂层，包括由权利要求1至12所述的任意一种纳米涂层的制备方法制得的纳米涂层。
14.根据权利要求13所述的一种抗菌纳米涂层，其特征在于:所述纳米涂层的厚度为.20 nm 200 nm 。
全文摘要
本发明揭示了一种纳米涂层的制备方法，包括采用等离子体放电对基底进行预处理预的步骤，和将有聚合能力的有机单体以气体形式通入所述等离子体腔室内、产生有机单体等离子体，其在等离子体腔室内发生聚合反应、生成聚合物等离子体沉积在基底表面形成纳米涂层的聚合沉积步骤。本发明还包括由上述方法制得的抗菌纳米涂层。本发明纳米涂层与基底材料以牢固的共价键结合、实现非药物性抗菌；与传统抗菌涂层相比，本发明成本较低、使用安全；通过本发明方法可以保留有机单体的大多数特征基团，有利于纳米涂层抗菌功效的设计；且可以在较长时间内保持杀灭或抵抗多种细菌及霉菌的作用，抗菌效果好且抗菌谱较广。
文档编号C23C14/12GK103160786SQ20131007341
公开日2013年6月19日 申请日期2013年3月7日 优先权日2013年3月7日
发明者文学军, 赵鹏, 李寅莹, 刘静 申请人:苏州睿研纳米医学科技有限公司