一种生物亲和性硅橡胶的制备方法
【专利摘要】本发明提供一种生物亲和性硅橡胶的制备方法，(1)将聚二甲基硅氧烷充分搅拌，加入脱肟型交联剂和脱醇型交联剂混合交联剂，继续抽真空搅拌，并加入催化剂，在室温下硫化；(2)利用等离子体处理室温硫化硅橡胶，在硅橡胶表面产生羟基活性点；向非极性溶剂中加入等离子体处理过的硅橡胶、有机胺，冰盐浴下搅拌，滴加含有溴化剂和非极性溶剂的混合液，撤去冰盐浴升到室温继续避光搅拌，得到表面含溴基团的硅橡胶；(3)将表面含有溴基团的硅橡胶、丙烯酰胺单体、CuCl/bpy催化剂置于反应容器中，再用注射器向反应容器中注入经脱气处理的溶剂，将反应容器置于恒温油浴中反应；洗涤、干燥后即得到表面接枝聚丙烯酰胺的亲水性硅橡胶。
【专利说明】一种生物亲和性硅橡胶的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种生物亲和性硅橡胶的制备方法，属于聚合物材料表面改性领域。 技术背景
[0002] 硅橡胶是有机硅产品中产量最大、应用最广的一大类产品。因其良好的耐高低温 性，耐候性，生理惰性等优点，而被广泛的应用在国防、医疗卫生、工农业生产以及人们的日 常生活中，并且在现代医学中发挥着越来越重要的作用。
[0003] 硅橡胶硫化后具有良好的力学性能，化学稳定性，生理惰性等优点，使其在生物医 学材料领域中具有良好的应用前景。目前，硅橡胶被广泛应用在人工肺，视网膜植入物，人 工硬脑膜，人工心脏瓣膜附件，以及人体用输液导管等各类插管，导管引管等生物医疗领 域。但是硅橡胶因为其表面的高度疏水性，使得硅橡胶制品在进入或拔出身体时容易造成 组织损伤，引起局部的炎症。目前硅橡胶材料的相关感染影响了硅橡胶临床应用效果，细菌 在硅橡胶表面的粘附、繁殖并形成生物膜造成了硅橡胶生物材料相关感染，而且硅橡胶的 表面疏水性是粘附现象的主要原因。因此，目前对硅橡胶表面的亲水性研究，从而改变硅橡 胶表面的生物亲和性已成为改性热点。
[0004] 目前硅橡胶表面改性的方法主要有硅氢加成、偶合接枝，紫外接枝等，但目前的这 些改性技术，仍然存在着时效性问题，表面改性的结构不够稳定，表面处理不够均匀以及亲 和性不好等缺点。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术中硅橡胶亲和性不好的不足，提供一种生物亲和 性硅橡胶的制备方法，首先，羟基封端的聚二甲基硅氧烷在混合交联剂的作用下进一步交 联，制得室温硫化硅橡胶；然后通过等离子体处理硅橡胶进而在硅橡胶表固定引发剂，利用 表面引发原子转移自由基聚合的方法在表面固定引发剂的硅橡胶表面引发极性丙烯酰胺 的聚合反应，从而对硅橡胶表面进行亲水性改性，达到降低细菌粘附的目的，制备出具有生 物亲和性硅橡胶材料。
[0006] -种生物亲和性硅橡胶的制备方法，具体包括以下步骤：
[0007] (1)室温硫化硅橡胶的制备
[0008] 将提纯的聚二甲基硅氧烷充分搅拌，110°C油浴下抽真空搅拌1?2h，加入脱肟 型交联剂和脱醇型交联剂两种混合交联剂，其中聚二甲基硅氧烷与混合交联剂质量比为 100:8?100:17,继续抽真空搅拌0. 5?lh，并且入催化剂，抽真空搅拌15?30min后倒入 模具中，在室温下硫化1?2Week，即制得室温硫化硅橡胶；
[0009] (2)硅橡胶表面固定引发剂
[0010] A :利用等离子体处理步骤（1)制备的室温硫化硅橡胶，采用氧气为处理氛围，处 理功率为500w，氧气流在0. 1?0. 2NL/min，处理时间3?7min，即在硅橡胶表面产生羟基 活性点；
[0011] B:向非极性溶剂中加入等离子体处理过的硅橡胶、有机胺，冰盐浴下搅拌，用恒压 滴液漏斗滴加含有溴化剂和非极性溶剂的混合液，1?1. 5h内滴完，撤去冰盐浴升到室温 继续避光搅拌2?5h，其中有机胺与溴化剂体积比为1.3:1，取出硅橡胶，用去离子水、无水 乙醇、丙酮超声洗涤三次，50°C真空下避光干燥过夜，得到表面含溴基团的硅橡胶；
[0012] (3)硅橡胶表面接枝PAAM
[0013] 将表面含有溴基团的硅橡胶、丙烯酰胺单体、CuCl/bpy催化剂置于反应容器中，原 料摩尔比CuCl :bpy :单体为1:3:281?352,反应容器密闭，抽真空通氮气，循环3次，再用 注射器向反应容器中注入经脱气处理的溶剂，溶剂为体积比丙酮与水为1:1?1:10的混合 溶剂，将反应容器置于50°C恒温油浴中反应4?24h ;取出硅橡胶，用离子水，无水乙醇和丙 酮超声波洗涤三次，50°C真空干燥，即得到表面接枝聚丙烯酰胺的亲水性硅橡胶。
[0014] 具体地，步骤（1)所述的提纯的聚二甲基硅氧烷制备方法为将羟基封端的聚二甲 基硅氧烷完全溶于四氢呋喃中，并在无水甲醇中沉淀析出，滤去上层废液，于真空烘箱中烘 干，即得到提纯后的聚二甲基硅氧烷。
[0015] 作为优选，步骤（1)所述的混合交联剂中脱肟型交联剂选用甲基三丁酮肟基硅 烷，脱醇型交联剂选用甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷。
[0016] 作为优选，步骤（1)所述的脱肟型交联剂与脱醇型交联剂质量比为7:1?7:10。 [0017] 作为优选，步骤（1)中所述的催化剂为二月桂酸二丁基锡，催化剂与聚二甲基硅 氧烷质量比为〇. 5?1:100。
[0018] 作为优选，步骤（2)中所述的非极性溶剂为乙酸乙酯；有机胺类作为缚酸剂，选用 三乙胺；溴化剂为α-溴代异丁酰溴。
[0019] 作为优选，步骤（3)中所述的催化剂为氯化亚铜（CuCl)和2, 2'-联二吡啶（bpy) 的络合物，所述的游离引发剂为2-溴代乙丁酸乙酯，其加入量为3 μ L。
[0020] 本发明采用的方法接枝量高，采用等离子体处理硅橡胶，处理时间短，效率高，能 够有效提高硅橡胶的亲水性，降低细菌的粘附性，拓展了其在生物医疗领域的应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1是硅橡胶表面接枝聚合物改性前后的傅里叶变换红外光谱（ATR/FTIR)图；
[0022] 图2是不同ΚΗ570用量对硅橡胶表面接枝聚合物影响的傅里叶变换红外光谱 (ATR/FTIR)图；
[0023] 图3是硅橡胶表面接枝聚合物改性前后的水接触角图；
[0024] 图4是按照实施例1和对比实施例1方法硅橡胶表面接枝聚合物改性前后及不同 接枝时间的细菌粘附图。
【具体实施方式】
[0025] 下面的实施实例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。
[0026] 实施例1 :
[0027] (1)室温硫化硅橡胶的制备
[0028] A :将羟基封端的聚二甲基硅氧烷完全溶于四氢呋喃中，并在无水甲醇中沉淀析 出，滤去上层废液，于真空烘箱中烘干，得到提纯后的聚二甲基硅氧烷。
[0029] B :称取40. 0g，A中纯化后的聚二甲基硅氧烷加入三口烧瓶中，充分搅拌使其混合 均勻。油浴ll〇°C抽真空搅拌2h，加入甲基三丁酮肟基硅烷（D-30)2.8g，γ-氨丙基三乙氧 基硅烷（KH570)0.40g。继续抽真空搅拌0. 5h，加入二月桂酸二丁基锡（DBTL)O. 2g，抽真空 搅拌15min后将娃胶倒入2mm厚的模具中。在室温下硫化2week。
[0030] (2)硅橡胶表面固定引发剂
[0031] A :将制备的室温硫化硅橡胶剪成lXlcm的硅橡胶片，利用等离子体处理硅橡胶， 采用氧气为处理氛围，处理功率为500w，氧气流在0. 2NL/min，处理时间4min，在硅橡胶表 面产生羟基活性点。
[0032] B :将40片A中活化后的硅橡胶放到250mL的烧瓶，加入80mL乙酸乙酯，6. 5mL三 乙胺，冰盐浴下搅拌，用恒压滴液漏斗滴加含有5mL α -溴代异丁酰溴和20mL乙酸乙酯的混 合液，lh滴完，撤去冰盐浴升到室温继续避光搅拌5h。取出硅橡胶片，用去离子水、无水乙 醇、丙酮超声洗涤三次，50°C真空下避光干燥过夜，得到表面含溴基团的硅橡胶。
[0033] (3)硅橡胶表面接枝PAAM
[0034] 对50mL克氏瓶进行烤瓶-抽真空-充氮气循环操作3次。称量两片引发剂修饰 的硅橡胶片的质量，称取〇. 〇47g 2,2'-联二吡啶（bpy)、0. Olg CuCl和2. 00g AAM加入克 氏瓶中，使CuCl和bpy充分络合。加入3mL水与丙酮的混合溶剂（1:1丙酮和水），3 μ L的 游离引发剂（2-溴代乙丁酸乙酯）后密封，将克氏瓶置于50°C油浴锅中搅拌反应24h。取 出硅橡胶，分别用去离子水，无水乙醇和丙酮超声波洗涤三次，置于真空干燥箱中干燥至恒 重，即得到表面接枝聚丙烯酰胺的亲水性硅橡胶。
[0035] 图1为硅橡胶改性前后其表面的红外光谱图，图1-(A)为未改性的硅橡胶， 2962CHT 1处是-C-H的伸缩振动吸收峰，785、1257CHT1处是-Si-CH3的对称伸缩振动吸收峰， lOOO-llOOcnT1是-Si-0-Si-的振动吸收峰，863CHT1是-Si(CH 3)3的特征吸收峰。而接枝 PAAM的硅橡胶图1-(B)在1665CHT1处出现了新的吸收峰，为酰胺基中-C = 0的特征吸收峰， 3100-3300CHT1是-NH2的伸缩振动吸收峰，1614CHT 1是-NH2的弯曲振动吸收峰，同时、1257、 1000-1100,785(^1对应的-SiCH 3，-Si-〇-Si-，-Si (CH3)3的特征吸收峰强度变小，说明在硅 橡胶表面已成功接枝上了 PAAM。
[0036] 图2是不同KH570用量下硅橡胶改性后其表面的红外光谱图，图2-A中KH570用 量为聚二甲基硅氧烷用量的1%，而2-B中KH570用量为聚二甲基硅氧烷用量的10%。在 同时改性24h后，图2-B中3100-3300〇1^-順 2的伸缩振动吸收峰，1614〇1^-順2的弯曲振动 吸收峰,1665CHT1处酰胺基中-C = 0的特征吸收峰的强度较2-A中的吸收峰全都相应的增 强。
[0037] 图3是硅橡胶表面改性前后的水接触角图片。将液滴滴到硅橡胶表面稳定15s后， 测得未改性的硅橡胶接触角为108. 5°，基本是疏水性材料。接枝PAAM改性之后的硅橡胶 (实施例1)接触角降至16. 5°。这主要在硅橡胶表面引入大量的亲水性基团-NH2，改变了 硅橡胶表面的亲水性，使其由疏水性材料变为亲水性材料。
[0038] 接触角测试方法为：
[0039] 将水滴滴到硅橡胶表面稳定15s之后，利用HARKE-CA接触角测试仪测试样品接触 角。
[0040] 实施例2 :
[0041] (1)脱肟型室温硫化硅橡胶的制备
[0042] A :将羟基封端的聚二甲基硅氧烷完全溶于四氢呋喃中，并在无水甲醇中沉淀析 出，滤去上层废液，于真空烘箱中烘干，得到提纯后的聚二甲基硅氧烷。
[0043] B :称取40. 0g，A中纯化后的聚二甲基硅氧烷加入三口烧瓶中，充分搅拌使其混合 均匀。油浴ll〇°C抽真空搅拌lh，加入甲基三丁酮肟基硅烷（D-30)2.8g，γ-氨丙基三乙氧 基硅烷（KH570)4.00g。继续抽真空搅拌lh，加入二月桂酸二丁基锡（DBTL)0.4g，抽真空搅 拌30min后将娃胶倒入2mm厚的模具中。在室温下硫化7d。
[0044] (2)硅橡胶表面固定引发剂
[0045] A :将制备的室温硫化硅橡胶剪成lXlcm的硅橡胶片，利用等离子体处理硅橡胶， 采用氧气为处理氛围，处理功率为500w，氧气流在0. lL/min，处理时间3min，在硅橡胶表面 产生羟基活性点。
[0046] B :将40片A中活化后的硅橡胶放到250mL的烧瓶，加入80mL乙酸乙酯，6. 5mL三 乙胺，冰盐浴下搅拌，用恒压滴液漏斗滴加含有5mL α -溴代异丁酰溴和20mL乙酸乙酯的混 合液，1. 5h滴完，撤去冰浴升到室温继续避光搅拌2h。取出硅橡胶片，用去离子水、无水乙 醇、丙酮超声各洗涤三次，50°C真空下避光干燥过夜，得到表面含溴基团的硅橡胶。
[0047] (3)硅橡胶表面接枝PAAM
[0048] 对50mL克氏瓶进行烤瓶-抽真空-充氮气循环操作3次。称量两片引发剂修饰 硅胶片的质量，称取〇. 〇47g 2, 2'-联二吡啶（bpy)、0. Olg CuCl和2. 50gAAM加入克氏瓶 中，使CuCl和bpy充分络合。加入3mL水与丙酮的混合溶剂（1:10丙酮和水），3 μ L的游离 引发剂（2-溴代乙丁酸乙酯）后密封，将克氏瓶置于50°C油浴锅中搅拌反应24h。取出硅 橡胶，分别用去离子水，无水乙醇和丙酮超声波洗涤三次，置于真空干燥箱中干燥至恒重， 即得到表面接枝聚丙烯酰胺的亲水性硅橡胶。
[0049] 实施例3 :
[0050] 硅橡胶制备、硅橡胶表面固定引发剂及硅橡胶表面接枝PAAM的制备方法与实施 例1类似，不同之处在于等离子体处理时间为7min，表面接枝反应时间为24h。
[0051] 实施例4
[0052] 硅橡胶制备、硅橡胶表面固定引发剂及硅橡胶表面接枝PAAM的制备方法与实施 例1类似，不同之处在于等离子体处理时间为7min，表面接枝反应时间为4h。
[0053] 对比实施例1
[0054] 将实施例1中Y -氨丙基三乙氧基硅烷替换为等量的D-30,其他条件不变。
[0055] 将液滴滴到硅橡胶表面稳定15s后，经测定本实施例中制备得到的接枝PAAM改性 硅橡胶接触角为25. 5°C，相比于实施例1中方法制备得到的PAAM改性硅橡胶接触角有了很 大增加，说明实施例1中方法制备得到的改性硅橡胶引入的亲水性基团-NH 2比对比实施例 1中方法制备得到的改性硅橡胶引入的亲水性基团-NH2量更多，说明采用D-30和KH570混 合交联剂相比于只采用D-30交联剂在使用量相同的情况下，能够使得硅橡胶在后续接枝 改性过程中能够具有更多的接支量。
[0056] 如图4所示，为利用实施例1方法和对比实施例1方法不同反应时间所制备的 硅橡胶表面大肠杆菌细菌粘附状况（a):未改性的硅橡胶膜片（b):接枝4hPAAM的硅橡 胶膜片（c):接枝24h PAAM的硅橡胶膜片（数据包含平均标准偏差，η = 3)，从图中可以 看出，未改性的硅橡胶膜片由于表面惰性疏水，大肠杆菌的粘附量较多，大肠杆菌的吸附 量为39. 9X 105cfu/cm2 ;按照实施例1方法接枝PAAM聚合物4h改性后，大肠杆菌的粘附 量降至20. 7X 105cfu/cm2 ;按照实施例1方法接枝PAAM 24h后，大肠杆菌的粘附量降至 0. 5X105cfu/cm2,细菌较未改性之前减少了 98. 7% ;而按照对比实施例1的方法接枝PAAM 聚合物4h后，大肠杆菌的粘附量降至26. 3X 105cfu/cm2 ;接枝PAAM 24h后，大肠杆菌的粘 附量降至3. 7X 105cfU/cm2,细菌较未改性之前减少了 90. 7%。这是主要由于利用本发明 的方法，在硅橡胶表面接枝了大量PAAM聚合物，在硅橡胶表面引入了大量亲水性的酰胺基 团，提高了硅橡胶表面的极性及表面能，从而减小了硅橡胶表面与细菌之间的粘附引力，粘 附自由能增大，故细菌粘附量减少，此结果与亲水性能测试所得到的解决一致。
[0057] 细菌粘附量的测定方如下：
[0058] (1)制备菌悬液：将放有牛肉膏蛋白胨液体培养基的锥形瓶经湿热高温灭菌处 理，用接种环刮取一环细菌接种于液体培养基中，放置于37°C，120r/min的气浴恒温振荡 器中振荡培养，取处于对数生长期的新鲜菌液进行细菌粘附实验。
[0059] (2)将接枝改性后的硅橡胶膜片以及未改性的硅橡胶膜片经高压灭菌后，放入处 于对数期的新鲜菌液中，在37°C气浴恒温振荡器中振荡培养，培养完成后取出硅橡胶膜片。 将粘附有细菌的硅橡胶膜片样品用无菌水冲洗，以去除其表面游离的细菌，再将硅橡胶薄 膜放入10mL的无菌水中，置于超声清洗机中超声处理lOmin，分离粘附于硅橡胶薄膜样品 表面的细菌。
[0060] (3)平板菌落计数法：将经过超声清洗机振荡处理后的菌液，采用10倍系列稀释 法（lmL菌液+9mL稀释液）经过10倍梯度等比稀释后，取0. lmL菌液均匀涂在琼脂培养基 中，置于37°C的培养箱中培养24h后进行菌落计数（每个梯度做三个平行）。根据菌落计 数结果，计算硅橡胶改性前后薄膜表面粘附的细菌个数。
[0061] 菌落数计算公式：
[0062] 细菌数=菌落数目X稀释倍数。
[0063] 对比实施例2
[0064] 将实施例1中步骤（2)中A改为，将制得的室温硫化硅橡胶，加入到反应瓶中，力口 入50mL10%的盐酸。室温下搅拌6h，反应结束后超声洗涤真空50°C下干燥。其他条件不 变。
[0065] 将液滴滴到硅橡胶表面稳定15s后，经测定本实施例中制备得到的接枝PAAM改性 硅橡胶接触角为19°C，相比于实施例1中方法制备得到的PAAM改性硅橡胶接触角大，说明 实施例1中方法制备得到的改性硅橡胶引入的亲水性基团-NH 2比对比实施例2中方法制 备得到的改性硅橡胶引入的亲水性基团-NH2更多，说明利用盐酸浸泡法浸泡硅橡胶6h相 比于本发明中等离子处理硅橡胶4min，不仅耗时长，而且产生的羟基活性位点少。
[0066] 经测试利用对比实施例2中制备方法，在不同接枝反应时间所得到的改性硅 橡胶，其表面大肠杆菌粘附状况如下，（1)接枝4hPAAM的硅橡胶，大肠杆菌粘附量为 23. 5X 105cfu/cm2,⑵接枝24hPAAM的硅橡胶，大肠杆菌粘附量为2. 5X105cfu/cm2,较未改 性之前减少了 93. 7%，相比于实施例1中改性24h后大肠杆菌粘附量下降了 98. 7%有了很 大程度的减少，这一结果与上述亲水性接触角测试结果所得到的结果相同。本发明方法制 备的硅橡胶具有优越的亲和性，能够大大减少细菌的粘附，能够很好的用于医学材料领域。
【权利要求】
1. 一种生物亲和性硅橡胶的制备方法，具体包括以下步骤： (1) 室温硫化硅橡胶的制备 将提纯的聚二甲基硅氧烷充分搅拌，110°c油浴下抽真空搅拌1?2h，加入脱肟型交联 剂和脱醇型交联剂两种混合交联剂，其中聚二甲基硅氧烷与混合交联剂质量比为100:8? 100:17,继续抽真空搅拌0. 5?lh，并且加入催化剂，抽真空搅拌15?30min后倒入模具 中，在室温下硫化1?2Week，即制得室温硫化娃橡月父； (2) 硅橡胶表面固定引发剂 A :利用等离子体处理步骤（1)制备的室温硫化硅橡胶，采用氧气为处理氛围，处理功 率为500w，氧气流在0. 1?0. 2NL/min，处理时间3?7min，即在硅橡胶表面产生羟基活性 占. B :向非极性溶剂中加入等离子体处理过的硅橡胶、有机胺，冰盐浴下搅拌，用恒压滴液 漏斗滴加含有溴化剂和非极性溶剂的混合液，1?1. 5h内滴完，撤去冰盐浴升到室温继续 避光搅拌2?5h，其中有机胺与溴化剂体积比为1. 3:1，取出硅橡胶，用去离子水、无水乙 醇、丙酮超声洗涤三次，50°C真空下避光干燥过夜，得到表面含溴基团的硅橡胶； (3) 硅橡胶表面接枝PAAM 将表面含有溴基团的硅橡胶、丙烯酰胺单体、CuCl/bpy催化剂置于反应容器中，其中 CuCl :bpy :单体摩尔比为1:3:281?351，反应容器密闭，抽真空通氮气，循环3次，再用注 射器向反应容器中注入经脱气处理的溶剂，溶剂为丙酮与水按体积比为1:1?1:10混合得 到的溶剂，再加入微量游离引发剂，将反应容器置于50°C恒温油浴中反应4?24h ;取出硅 橡胶，用去离子水，无水乙醇和丙酮超声波洗涤三次，50°C真空干燥，即得到表面接枝聚丙 烯酰胺的亲水性硅橡胶。
2. 根据权利要求1所述的生物亲和性硅橡胶的制备方法，其特征在于：步骤⑴所述 的提纯的聚二甲基硅氧烷制备方法为将羟基封端的聚二甲基硅氧烷完全溶于四氢呋喃中， 并在无水甲醇中沉淀析出，滤去上层废液，于真空烘箱中烘干，即得到提纯后的聚二甲基硅 氧烷。
3. 根据权利要求1所述的生物亲和性硅橡胶的制备方法，其特征在于：步骤⑴所述 的混合交联剂中脱肟型交联剂选用甲基三丁酮肟基硅烷，脱醇型交联剂选用甲基丙烯 酰氧丙基三甲氧基硅烷。
4. 根据权利要求2或3所述的生物亲和性硅橡胶的制备方法，其特征在于：步骤⑴所 述的脱肟型交联剂与脱醇型交联剂质量比为7:1?7:10。
5. 根据权利要求1所述的生物亲和性硅橡胶的制备方法，其特征在于：步骤（1)中所 述的催化剂为二月桂酸二丁基锡，催化剂与聚二甲基硅氧烷质量比为〇. 5?1:100。
6. 根据权利要求1所述的生物亲和性硅橡胶的制备方法，其特征在于：步骤（2)中所 述的非极性溶剂为乙酸乙酯；有机胺类作为缚酸剂，选用三乙胺；溴化剂为α -溴代异丁酰 溴。
7. 根据权利要求1所述的生物亲和性硅橡胶的制备方法，其特征在于：步骤（3)中所 述的催化剂为氯化亚铜（CuCl)和2, 2'-联二吡啶（bpy)的络合物，游离引发剂为2-溴代 乙丁酸乙酯，其加入量为3 μ L。
【文档编号】C08L83/06GK104194025SQ201410378042
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月30日 优先权日:2014年9月30日
【发明者】姜彦 , 瞿鹏, 张洪文 申请人:常州大学