一种抑制细菌生物膜生成的亲水聚合物及其制备方法与应用与流程

1.本发明属于生物医用高分子材料技术领域，涉及一种亲水聚合物的合成，具体是指一种抑制细菌生物膜生成的亲水聚合物及其制备方法与应用。


背景技术：

2.随着现代生命科学、材料科学、医学、工程学等多学科相互渗透和发展，生物医用材料，这一正对人类健康作出重要贡献并将获得重大发展的重要学科愈来愈受到人们的普遍关注，成为世界各国竞相研究开发的热点。生物医用材料例如植入医疗器械，在临床使用时其表面的润滑性、抑制细菌生物膜的生成、生物相容性是至关重要的。生物医用材料在介入人体的过程中会与人体组织产生摩擦，增加患者的病痛；其次细菌在生物医用材料表面的初始粘附会造成生物膜的形成，它会保护细菌免受宿主免疫系统的影响，从而引起手术部位感染，对患者的健康构成了严重的威胁。
3.此外，手术部位感染是最常见的手术并发症，约占所有医疗保健相关感染的40%，占所有手术并发症的5%。导致进一步的手术干预，延长治疗时间，和意外的高医疗费用。人们普遍认为，细菌在生物材料表面的初始粘附和由细菌粘附引起的生物膜形成是导致手术部位感染的主要原因。一旦生物膜形成，它就能保护细菌免受宿主免疫系统的影响，从而使手术部位感染成为棘手的问题。因此，抑制生物医用材料表面的初始细菌粘附和生物膜形成成为降低手术部位感染发生率的有效对策。
4.然而，在现有相关技术中对抑制生物膜生成的涂层材料的研究中普遍存在以下几个问题：其一是对两性离子类型涂层材料的生物相容性缺乏考虑；其二是对亲水聚合物涂层的固定及制备方法较为繁琐、复杂，且涂层与基材之间的结合力不足导致涂层存在脱落的风险。其三是将两性离子与亲水性物质结合在一起从而赋予涂层润滑性及抑制细菌生物膜生成的相关技术较少。因此，以一种简单的方法将两性离子和亲水性物质结合在一起，以实现制备抑制细菌生物膜生成并兼容亲水性润滑涂层，这是十分有必要的。


技术实现要素：

5.针对以上问题，本发明提供了一种抑制细菌生物膜生成的亲水聚合物及其制备方法与应用。具体的为：本发明提供一种抑制细菌生物膜生成的亲水聚合物，其特征在于，具有如下结构式：
其中：e、f、g、h为各单体重复单元数。
6.进一步地，本发明提供一种抑制细菌生物膜生成的亲水聚合物的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤（1）可聚合的聚乙二醇单甲醚的制备：分别取一定量的聚乙二醇单甲醚、丙烯酰氯及乙腈溶液加入到反应容器中，加热至80℃后，向反应容器中加入一定量的三乙胺，80℃条件下继续加热反应5小时。待反应停止后，使反应液慢慢冷却至室温。然后，将反应液慢慢滴加到无水乙醚中，边滴加边搅拌，得到大量的淡黄色沉淀，之后将沉淀过滤出来并用无水甲醇洗涤多次，放到真空干燥箱中干燥24h，得到白色固体粉末状的可聚合的聚乙二醇单甲醚。所述聚乙二醇单甲醚的平均分子量为200-1000。
7.步骤（2）抑制细菌生物膜生成的亲水聚合物的制备：分别取一定量的两性离子单体甲基丙烯酸磺酸甜菜碱、亲水单体n-乙烯吡咯烷酮、交联单体甲基丙烯酸羟乙酯和步骤（1）中制备的可聚合的聚乙二醇单甲醚单体，以及定量的水溶性引发剂加入到水溶液中形成混合溶液，并在氮气保护下加热至60℃反应5h，得到透明的流动液体粗产品。将粗产物放到真空干燥箱中干燥24h，再用无水乙醇洗涤多次，除去未反应的单体，然后放入真空干燥箱中继续干燥24h，得到白色固体粉末状的可抑制细菌生物膜生成的亲水聚合物。
8.进一步地，本发明提供的一种抑制细菌生物膜生成的亲水聚合物的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中的两性离子单体甲基丙烯酸磺酸甜菜碱、亲水单体n-乙烯吡咯烷酮、交联单体甲基丙烯酸羟乙酯以及可聚合聚乙二醇单甲醚单体的摩尔量分别为0.2-0.4mmol、2-5mmol、0.1-0.3mmol、1-3mmol。所述水溶性引发剂为过硫酸钾与亚硫酸氢钠混合物或过硫酸铵与亚硫酸氢钠混合物中的任意一种，且引发剂的含量为各个单体总质量的0.5%。
9.进一步地，本发明提供一种利用所述抑制细菌生物膜生成的亲水聚合物制备得到的可抑制细菌生物膜生成的亲水涂层溶液，其特征在于，通过将抑制细菌生物膜生成的亲水聚合物溶解在有机溶剂和水的混合溶液中，而后向上述溶液中加入封闭型异氰酸酯制备得到。
10.进一步地，所述的亲水涂层溶液，其特征在于，所述的抑制细菌生物膜生成的亲水聚合物占亲水涂层溶液总质量的2%-5%；所述的封闭型异氰酸酯占亲水涂层溶液总质量的0.2%-0.5%。所述的有机溶剂为乙醇、异丙醇、丙酮、二丙酮醇中的任意一种或多种。
11.进一步地，本发明提供一种所述亲水涂层溶液的应用，其特征在于，采用浸涂方式将亲水涂层溶液涂覆到医用导管表面，并于100℃下固化1小时，使亲水涂层溶液中抑制细菌生物膜生成的亲水聚合物和封闭型异氰酸酯发生热交联反应，从而得到表面具有抑制细菌生物膜生成的功能化医用涂层的医用导管。
12.本发明的有益效果是：1.本发明提供的抑制细菌生物膜生成的亲水聚合物兼顾了亲水性、抑制细菌生物膜生成的特点。具体为：（1）由两性离子形成的该聚合物可在生理环境中通过静电相互作用吸附水形成水合层，从而具有良好的抗细菌粘附性、生物相容性；（2）可聚合聚乙二醇单甲醚中的peo是一种柔性链，在水中，该柔性链可以和水分子结合形成水合聚氧乙烯链。在固体水界面，聚氧乙烯可以通过和水分子之间强烈的相互作用，向水相扩散，形成水合聚氧乙烯层，阻止细菌在生物医用材料表面的停滞、粘附，从而抑制材料表面生物膜的生成；（3）n-乙烯吡咯烷酮和丙烯酸羟乙酯的引入提高了该聚合物的亲水性以及可官能团化。
13.2.本发明提供的可抑制细菌生物膜生成的亲水涂层溶液，制备方法简单。适用基材范围广，亲水涂层溶液中的抑制细菌生物膜生成的亲水聚合物和异氰酸酯交联形成三维网络结构，依靠分子间作用力附着在导管表面，附着力强不易脱落，易于工业化生产，在生物医用材料领域具有潜在的应用。
14.3.本发明提供的医用导管，其表面具有亲水润滑的功能，同时还具有抑制细菌生物膜生成的特性。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
16.图1为本发明中抑制细菌生物膜生成的亲水聚合物的分子结构图。
17.图2为本发明中抑制细菌生物膜生成的亲水聚合物的合成路线图。
18.图3为本发明中抑制细菌生物膜生成的亲水聚合物的红外谱线图。
19.图4为本发明所制得的医用导管摩擦系数测试曲线图。
20.图5为本发明所制得的最优医用导管的抑制细菌生物膜生成的测试结果图。
具体实施方式
21.下面将结合具体实施案例对本发明作进一步的阐述。应理解，本发明不限于以下实施案例，所述材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
22.实施例1步骤（1）不同分子量可聚合聚乙二醇单甲醚的制备：首先，将1mmol的平均分子量分别为200的聚乙二醇单甲醚、1.1mmol的丙烯酰氯以及10ml的乙腈溶液加入到50ml的圆底烧瓶中，然后置于油浴锅中加热至80℃，之后加入1.1mmol的三乙胺反应5h。待反应停止后，使反应液慢慢冷却至室温。然后，将反应液慢慢滴加到无水乙醚中，边滴加边搅拌，得到大量的淡黄色沉淀，之后将沉淀过滤出来并用无水甲醇洗涤多次，放到真空干燥箱中干燥24h，得到白色固体粉末。
23.步骤（2）抑制细菌生物膜生成的亲水聚合物的制备：采用溶液自由基聚合的方法制备该聚合物；首先，称取0.2mmol的[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵两性离子单体、2mmol的n-乙烯基吡咯烷酮、0.1mmol的甲基丙烯酸羟乙酯、1mmol步骤（1）中的可聚合聚乙二醇单甲醚以及0.5%过硫酸铵和亚硫酸氢钠加入到6ml水溶液中，并在氮气保护下加热至60℃反应5h，即得到透明的流动液体粗产品；将反应后的粗产物放到真空干燥箱中干燥24h，再用无水乙醇洗涤多次，除去未反应的单体，然后放入真空干燥箱中继续干燥24h，得到白色固体粉末状可抑制细菌生物膜生成的亲水聚合物。
[0024]
步骤（3）可抑制细菌生物膜生成的亲水涂层溶液的制备：首先将合成的亲水聚合物加入到异丙醇和水的混合溶液中，在室温下搅拌30分钟，然后加入封闭型异氰酸酯继续搅拌10分钟，即得到一种可抑制细菌生物膜生成的亲水涂层溶液。其中聚合物的质量为亲水涂层溶液总质量的3%，封闭型异氰酸酯的质量为亲水涂层溶液总质量的0.5%，溶剂的质量为亲水涂层溶液总质量的96.5%。将上述亲水涂层溶液涂覆至医用导管表面，并在100℃下固化1h，即得到表面具有抑制细菌生物膜生成的功能化医用涂层的医用导管。
[0025]
实施例2步骤（1）采用实施例1中步骤（1）中相同方法，不同之处在于聚乙二醇单甲醚的平均分子量为350。
[0026]
步骤（2）采用实施例1中步骤（2）中相同方法，不同之处在于[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵两性离子单体的用量为0.4mmol、n-乙烯基吡咯烷酮的用量为5mmol、甲基丙烯酸羟乙酯的用量为0.1mmol、步骤（1）中的可聚合聚乙二醇单甲醚的用量为1.5mmol。
[0027]
步骤（3）采用实施例1中步骤（3）中相同方法，不同之处在于聚合物的质量为亲水涂层溶液总质量的3%，封闭型异氰酸酯的质量为亲水涂层溶液总质量的0.3%，溶剂的质量为亲水涂层溶液总质量的96.7%。
[0028]
实施例3步骤（1）采用实施例1中步骤（1）中相同方法，不同之处在于聚乙二醇单甲醚的平均分子量为500。
[0029]
步骤（2）采用实施例1中步骤（2）中相同方法，不同之处在于[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵两性离子单体的用量为0.32mmol、n-乙烯基吡咯烷酮的用量为4mmol、甲基丙烯酸羟乙酯的用量为0.3mmol、步骤（1）中的可聚合聚乙二醇单甲醚的用量为1.5mmol。
[0030]
步骤（3）采用实施例1中步骤（3）中相同方法，不同之处在于聚合物的质量为亲水涂层溶液总质量的2%，封闭型异氰酸酯的质量为亲水涂层溶液总质量的0.3%，溶剂的质量
为亲水涂层溶液总质量的97.7%。
[0031]
实施例4步骤（1）采用实施例1中步骤（1）中相同方法，不同之处在于聚乙二醇单甲醚的平均分子量为750。
[0032]
步骤（2）采用实施例1中步骤（2）中相同方法，不同之处在于[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵两性离子单体的用量为0.3mmol、n-乙烯基吡咯烷酮的用量为3mmol、甲基丙烯酸羟乙酯的用量为0.3mmol、步骤（1）中的可聚合聚乙二醇单甲醚的用量为2mmol。
[0033]
步骤（3）采用实施例1中步骤（3）中相同方法，不同之处在于聚合物的质量为亲水涂层溶液总质量的2%，封闭型异氰酸酯的质量为亲水涂层溶液总质量的0.2%，溶剂的质量为亲水涂层溶液总质量的97.8%。
[0034]
实施例5步骤（1）采用实施例1中步骤（1）中相同方法，不同之处在于聚乙二醇单甲醚的平均分子量为1000。
[0035]
步骤（2）采用实施例1中步骤（2）中相同方法，不同之处在于[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵两性离子单体的用量为0.2mmol、n-乙烯基吡咯烷酮的用量为4mmol、甲基丙烯酸羟乙酯的用量为0.2mmol、步骤（1）中的可聚合聚乙二醇单甲醚的用量为3mmol。
[0036]
步骤（3）采用实施例1中步骤（3）中相同方法，不同之处在聚合物的质量为亲水涂层溶液总质量的3%，封闭型异氰酸酯的质量为亲水涂层溶液总质量的0.2%，溶剂的质量为亲水涂层溶液总质量的96.8%。
[0037]
实施效果例本发明所提供的抑制细菌生物膜生成的亲水聚合物的结构表征及制备的表面具有抑制细菌生物膜生成的功能化医用涂层的医用导管的性能测试如下。
[0038]
测试一：抑制细菌生物膜生成的亲水聚合物红外性能测试。
[0039]
（1）测试步骤：首先将2-4mg的亲水聚合物固体粉末放在玛瑙研钵中，加入200-400mg干燥的kbr粉末，混合研磨均匀，用不锈钢钥匙移取约200mg混合粉末于锭剂成型容器中，在25mpa下加压30秒，即可得到锭片。然后将制得的锭片放在滤纸上，用红外灯照射干燥以防吸水。随后将锭片置于固体样品的架子上，将样品架插入红外光谱仪的试样窗口，关闭样品室，即可测定亲水聚合物样品的红外吸收光谱。
[0040]
（2）测试结果：如图3所示。结果显示：在3419cm-1
处为聚合物-oh的伸缩振动特征峰；2950cm-1
、2890cm-1
为聚合物ch3、ch2的c-h伸缩振动特征峰；1667cm-1
为聚合物中羰基的伸缩振动特征峰；1422cm-1
、1462cm-1
为聚合物的c-h面内弯曲振动特征峰；1288cm-1
为聚合物中-c-o-c-的伸缩振动特征峰；1206cm-1
为聚合物中叔胺的c-n伸缩振动特征峰；1148cm-1
为聚合物中磺酸基团的特征峰；而且由图3可知在3000-3100cm-1
处没有不饱和双键c-h的伸缩振动特征峰，由此说明聚合物合成成功，且无单体残留。
[0041]
测试二：表面具有抑制细菌生物膜生成的功能化医用涂层的医用导管的摩擦系数测试。
[0042]
（1）测试步骤：将涂覆并固化完全的医用导管，放置于摩擦系数测试仪上进行测
试，测试循环次数为30次。具体如下：首先将待测样品穿过上部夹扣及下部夹具，旋转夹扣螺丝，夹紧待测样品。然后设置测试参数，测试30次。点击程序界面的“夹紧”按钮，使夹具的两个胶片贴近待测样品，观察界面中夹持力数值，在贴近待测样品夹持力为0.000时，点击“开始测试”键，测试30次后停止测试，导出摩擦系数测试数据。
[0043]
（2）测试结果：如图4所示。结果显示：本发明提供的方案制备的医用导管稳定性良好。尤其是采用实施例5提供的方案制备得到的医用导管性能最优，其表面的润滑性和稳定性良好，可以满足导管润滑涂层的技术要求。值得注意的是：该技术并不是一成不变的，可以参考实施例做一定的改变，也在本发明专利的保护范围内。
[0044]
测试三：表面具有抑制细菌生物膜生成的功能化医用涂层的医用导管抑制细菌生物膜生成的测试。
[0045]
采用结晶紫染色法对细菌生物膜成膜量进行测试。
[0046]
（1）测试步骤：取实施例5中所制备的医用导管与未处理的医用导管各3只（规格16fr，长度1.5cm），经环氧乙烷灭菌后，分别置于3
×
107cfu/ml大肠杆菌菌悬液中。37℃培养48h，其中24h后更换新鲜菌液。48h培养结束后，取出管体，20ml无菌水冲洗3次，1%结晶紫染色20分钟。染色结束后将管体置于无菌水中浸泡，去除未与细菌生物膜结合的游离染料。之后使用95%乙醇对管体表面与细菌生物膜结合的结晶紫进行脱色处理，并于595nm处测量od值表征细菌生物膜成膜量。
[0047]
（2）测试结果：如图5所示。结果显示：采用本发明提供的方案制备得到的医用导管相较于未处理医用导管其表面细菌生物膜生成量可降低约85%，具有优良的抑制细菌生物膜生成的性能。
[0048]
可以理解的是，以上关于本发明具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。
[0049]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。