一种智能抗菌功能涂层的前驱聚合物及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及医用材料技术领域，尤其是涉及一种智能抗菌功能涂层的前驱聚合物及其制备方法与应用。

背景技术

病原菌严重威胁人类健康。研究表明，细菌在材料表面形成生物膜是导致细菌感染和细菌耐药性的重要原因。浮游细菌在材料表面经过不可逆附着后的不断繁殖、分化和扩散，最终形成生物膜。相对于浮游细菌，生物膜内细菌对杀菌剂的耐受性可提高10—1000倍以上。

根据上述细菌特性，现有技术常通过构建被动抗粘附型和主动杀菌型功能表面来有效防止细菌感染。其中，被动抗粘附型表面主要利用具有抗粘附功能的物质，如聚乙二醇、两性内盐等，来减少细菌的表面粘附或干扰生物膜形成来抑制细菌感染；然而该种方法只能短期内减缓细菌粘附，无法长期抑制细菌的繁殖。而主动杀菌型表面通常利用物理负载或化学键合方法将常规抗菌剂，如抗生素、银离子和壳聚糖等，固定到基底材料表面，通过释放等方式实现杀菌功能；但是单纯化学键合杀菌剂的主动杀菌表面易引起死细菌残骸的粘附和堆积，从而引发后续细菌粘附、增殖与感染，而物理负载法表面则存在非按需释放杀菌物质以及杀菌物质释放过快等问题，常导致抗菌效果持续性较差。

冰片是一种独特的天然化合物，具有良好的手性和抗菌粘附性能，是一种理想的抗菌材料。冰片的手性立体化学结构影响细菌的表面识别。这样可以防止细菌附着。换句话说，细菌没有粘附在这种立体化学结构表面的倾向。然而，由于冰片的结构，其表面的疏水性不可避免地阻碍了其广泛应用。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种智能抗菌功能涂层的前驱聚合物及其制备方法与应用。本发明前驱聚合物结构中同时含有抗粘附的异冰片功能基团、改善亲水性的聚乙二醇链段、以及用于偶联抗生素的醛基，其通过醛基与抗生素的伯氨基团反应形成席夫碱键，能响应细菌代谢产生的酸性环境而断键，从而达到按需可控释放的效果，可实现智能长效抗菌，且无毒副作用，不仅制备方法工艺简单，而且各功能基团比例可灵活调控。

本发明的技术方案如下：

一种智能抗菌功能涂层的前驱聚合物，该聚合物的结构如通式(I)所示：

通式(I)中，R

优选地，所述n为3～120之间的整数；x为20～80％，y为20～80％。

一种所述智能抗菌功能涂层的前驱聚合物的制备方法，所述制备方法按照如下路线进行：

R

具体步骤为：

(1)将丙烯酸聚乙二醇单体、对醛基苯甲酸与第一溶剂混合，在催化剂、活化剂作用下室温反应，制得含苯甲醛基团的单体(FMPEG)；

优选地，所述丙烯酸聚乙二醇单体与对醛基苯甲酸的摩尔比为1:1～2。

优选地，所述第一溶剂为DCM/THF混合溶剂，DCM与THF的体积比为1:1～2；

优选地，所述催化剂为DMAP，催化剂与对醛基苯甲酸的摩尔比为0.1～0.15:1；

优选地，所述活化剂为EDC·HCl，活化剂与对醛基苯甲酸的摩尔比为1～1.5:1；

反应单体总质量与溶剂的质量比为1:50～150。

(2)将含苯甲醛基团的单体(FMPEG)、含异冰片基团的单体(ISA)溶于第二溶剂中，在引发剂作用下，聚合反应制得所述前驱聚合物P(FMPEG-r-ISA)，简称PFI。

优选地，所述第二溶剂为THF、DMF、二氧六环中的一种，反应单体总质量与第二溶剂的质量比为0.1～1:1。

优选地，所述引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、过氧化二苯甲酰中的一种；引发剂的用量为反应单体总质量的0.1～5.0％。

进一步优选，所述聚合反应的条件为：60～90℃反应12～36h。

一种含有所述前驱聚合物的智能抗菌涂料，将所述前驱体聚合物按照醛基与抗生素伯氨0.9～1:1的摩尔比例溶解在THF/H

优选地，所述抗生素为庆大霉素(GS)、链霉素、阿米卡星、妥布霉素、万古霉素、奈替米星、异帕米星、卷曲霉素、核糖霉素、巴龙霉素、新链丝菌素、多粘菌素B、卡那霉素中的一种或多种。

优选地，THF/H

一种所述智能抗菌涂料的应用，将所述抗菌涂料涂布在基材上，室温干燥后制得智能抗菌功能涂层。

优选地，所述涂布方式为浸涂、旋涂或喷涂。

优选地，所述基材为不锈钢、钛合金、镁合金、锌合金、玻璃、硅橡胶、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯、聚酰胺、聚碳酸酯或聚二甲基硅氧烷。

进一步优选，所述智能抗菌功能涂层作为医用设备、诊疗器械或植入体表面的抗菌防污材料使用。

本发明智能抗菌功能涂层，在正常情况下，外层的聚乙二醇结构和异冰片结构可以有效地防止细菌粘附并且提高亲水性，从而达到防污效果，当发生局部细菌感染时基材表面的微环境变为弱酸性时，席夫碱结构被破坏而断裂，抗生素被释放出来起到杀菌效果，使涂层表面性能同时具备杀菌以及防污的功能，从而可作为医用设备、诊疗器械、植入体表面的抗菌防污材料使用。

本发明有益的技术效果在于：

本发明选用的聚乙二醇常用于材料的亲水改性，聚乙二醇链水合层的形成不仅会减少蛋白质在底物上的粘附，还会增加润滑性，提高临床医学患者的体验。本发明将聚乙二醇与异冰片结合，席夫碱键可以在弱酸性条件下迅速水解，可设计出一种能够按需释放抗生素药物的涂层。

本发明结合了异冰片、聚乙二醇和抗生素的优点，抗生素的伯胺基与共聚物的醛基反应形成席夫碱键。在正常条件下，PEG链段和异冰片可以抵抗蛋白质的吸收，当细菌感染发生时，由细菌代谢引起的弱酸性环境中的席夫碱键被破坏，抗生素被释放来杀死细菌并抑制感染。因此，三种成分的协同作用能够实现长期有效的防污杀菌效果。

本发明智能抗菌功能涂层的表面可显著抑制细菌初始接触，且通过席夫碱的协同作用产生优异的抑菌作用，且样品浸泡在模拟细菌感染的酸性环境7天后，涂层抗生素释放量达20％，在模拟的正常环境中仅释放3％，可实现长期的可控抗菌防污效果，且杀菌效果优异；

本发明智能抗菌功能涂层制备方法简单，溶液稳定性好，且具有长效抗菌防污功能，可广泛用于生物工程以及生物医学领域，如医用设备、诊疗器械、植入体等方面。

本发明智能抗菌功能涂层，其涂层流平性和细胞相容性较好，且样品浸泡在PBS中60天后，涂层剩余质量仍大于90％，可达到长期抗菌防污效果；

附图说明

图1为对比例1制得异冰片(PISA)和实施例1～3所制得的前驱聚合物(PF

图2为对比例2、实施例5～7所采用的医用不锈钢316L基材(SS)及其所制得的涂层样品SS-PISA、SS-PF

图3为对比例2、实施例5～7所制得的涂层样品SS-PISA、SS-PF

图4为实施例5～7所制得的涂层样品SS-PF

图5为L929细胞接种在实施例5～7所采用的医用不锈钢316L基材(SS)及其所制得的涂层样品SS-PISA、SS-PF

图6为大肠杆菌(E.coli)(A)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)(B)在SS、SS-PISA、SS-PF

图7为对比例2、实施例5～7所采用的医用不锈钢316L基材(SS)及其所制得的涂层样品SS-PISA、SS-PF

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。

对比例1：

一种聚丙烯酸异冰片酯(PISA)的合成，包括如下步骤：

将10.0g丙烯酸异冰片酯溶解在100mL THF中，随后加入1wt％的引发剂AIBN，混合物在氮气保护的条件下于65℃磁力搅拌24h，反应结束后，将反应液冷却至室温，经浓缩后，在乙醇中沉淀3次并干燥至恒重。产物PISA为白色固体粉末，产率为52％。其红外谱图如图1A所示。

实施例1

一种智能抗菌功能涂层的前驱聚合物，其制备方法包括如下步骤：

(1)将对醛基苯甲酸(3.6g，24mmol)和EDC·HCl(5.8g，30mmol)溶于400mL THF与DCM的混合溶液中(THF:DCM＝1:1)，其中过量的EDC·HCl用于活化羧基，在室温搅拌过程中，依次加入丙烯酸聚乙二醇单体MPEG360(7.2g，20mmol)和DMAP(0.37g，3.0mmol)，使混合物在氮气保护的条件下反应16h，反应结束后，将反应溶液依次通过氢氧化钠水溶液(1M)，盐酸水溶液(1M)，饱和碳酸氢钠水溶液以及饱和氯化钠水溶液清洗三次。有机层在无水硫酸镁中干燥过夜，经浓缩后得到淡黄色透明油状液体FMPEG，产率为74％，放至冰箱冷藏待用。

(2)将FMPEG(1.968g，4.00mmol)和丙烯酸异冰片酯ISA(1.250g，6.00mmol)溶解在30mL THF中，并加入1wt％的AIBN作为引发剂，使混合物在氮气氛围中于65℃反应24h。将反应液冷却至室温，经浓缩后，在乙醚中沉淀3次并干燥至恒重，制得产物PF

实施例2

一种智能抗菌功能涂层的前驱聚合物，其制备方法包括如下步骤：

(1)同实施例1；

(2)将FMPEG(2.460g，5.00mmol)和ISA(1.042g，5.00mmol)溶解在32mL THF中，并加入1wt％的AIBN作为引发剂，使混合物在氮气氛围中于65℃反应24h。将反应液冷却至室温，经浓缩后，在乙醚中沉淀3次并干燥至恒重，制得产物PF

实施例3

一种智能抗菌功能涂层的前驱聚合物，其制备方法包括如下步骤：

(1)同实施例1；

(2)将FMPEG(2.952g，6.00mmol)和ISA(0.833g，4.00mmol)溶解在35mL THF中，并加入1wt％的AIBN作为引发剂，使混合物在氮气氛围中于65℃反应24h。将反应液冷却至室温，经浓缩后，在乙醚中沉淀3次并干燥至恒重，制得产物PF

由图1A可以看出，因为亲水性PEG的存在，聚合物PFI易吸水，在3261cm

由图1D可以看出，化学位移6.07～5.96ppm、5.72～5.60ppm和1.91～1.81ppm处的信号峰分别为双键Ha和甲基Hb的质子峰。化学位移4.46ppm、4.21ppm、3.85-3.70ppm、3.69-3.38ppm和3.35ppm处的峰均归属于乙氧基中Hc和Hd的质子峰；化学位移8.15ppm、8.12-8.01ppm和10.12ppm处的峰均为苯环中He和Hf和醛Hg的质子峰，证明成功合成了实施例1～3的产物。

实施例4

一种智能抗菌功能涂层的前驱聚合物，其制备方法包括如下步骤：

(1)将对醛基苯甲酸(3.6g，24mmol)和EDC·HCl(5.8g，30mmol)溶于400mL THF与DCM的混合溶液中(THF:DCM＝1:1)，其中过量的EDC·HCl用于活化羧基，在室温搅拌过程中，依次加入丙烯酸聚乙二醇单体MPEG2000(40g，20mmol)和DMAP(0.37g，3.0mmol)，使混合物在氮气保护的条件下反应16h，反应结束后，将反应溶液依次通过氢氧化钠水溶液(1M)，盐酸水溶液(1M)，饱和碳酸氢钠水溶液以及饱和氯化钠水溶液清洗三次。有机层在无水硫酸镁中干燥过夜，经浓缩后得到FMPEG，产率为85％，放至冰箱冷藏待用。

(2)将FMPEG(8.596g，4.00mmol)和丙烯酸异冰片酯ISA(1.250g，6.00mmol)溶解在30mL THF中，并加入1wt％的AIBN作为引发剂，使混合物在氮气氛围中于65℃反应24h。将反应液冷却至室温，经浓缩后，在乙醚中沉淀3次并干燥至恒重，制得所述智能抗菌功能涂层的前驱聚合物，保存在干燥器中备用。

对比例2：

将对比例1所制得的PISA与庆大霉素溶解在溶剂四氢呋喃、水的混合溶剂(THF/H

实施例5：

将实施例1所制得的前驱聚合物PF

将上述pH响应性抗生素释放型抗菌聚合物涂层样品SS-PF

实施例6

采用浸涂的方式，在医用不锈钢316L基材(SS)表面制备pH响应性抗生素释放型抗菌聚合物涂层样品SS-PF

实施例7

采用浸涂的方式，在医用不锈钢316L基材(SS)表面制备pH响应性抗生素释放型抗菌聚合物涂层样品SS-PF

测试例：

(1)涂层表面的亲疏水性能测试

对本发明对比例2、实施例5～7所得涂层SS-ISA、SS-F

由图2可以看出，SS表面水接触角为88.9°±2.2°，疏水性单元ISA的引入，使得涂层的亲水性降低，水接触角为94.9°±2.1°，但是随着涂层中亲水性组分PEG含量的增加，涂层SS-PF

(2)涂层的溶液稳定性测试

测试方法为：首先在浸涂制备涂层前分别记录所有相同大小(长宽40×15mm，厚度0.3mm)不锈钢316L基材(SS)的初始质量，记为m0，再实施例5～7所制得的涂层样品SS-PF

涂层质量保留率＝((M

通过实验发现，实施例5～7所制得的涂层样品SS-PF

(3)涂层的pH响应性测试

为了研究涂层SS-PF

为了验证涂层的pH响应性，将涂层SS-PF

由图4可以看出，涂层在模拟细菌感染的酸性环境中孵育7天后，GS的释放量达到总释放量的20％以上。与之相比，涂层在模拟的正常环境中GS的释放量仅为3％，可以充分证明席夫碱键的pH响应性。研究表明，涂层在酸性环境中孵育7天后，仍具有较高的GS负载量。这对于临床中细菌感染反复发生的情况，具有一定的实用性。

(4)涂层的细胞粘附性能测试

根据中华人民共和国国家标准GB/T 16886.5-2003《医疗器械生物学评价第5部分：体外细胞毒性试验》，将对比例2、实施例5～7所采用的医用不锈钢316L基材(SS)及其所制得的涂层样品SS-PISA、SS-PF

如图5所示为L929细胞接种在不锈钢316L基材(SS)及涂层样品SS-PISA、SS-PF2I3/GS、SS-PF1I1/GS、SS-PF3I2/GS表面培养24h和48h后的荧光显微镜图片。

从图5可以看出，培养24h后，SS作为性能优异的医用金属植入材料，表面粘附有大量细胞。SS-PISA涂层表面呈现出与SS相同的生长态势。而SS-PFI/GS涂层表面细胞的密度明显降低。并且，随着PEG含量的增加，涂层表面粘附的细胞数依次降低。涂层SS-PF

(5)涂层的抗菌防污性能与长期抗菌防污性能测试

涂层的抗菌性能是指涂层防止细菌粘附、抑菌行为的转变以及杀菌性能。测试方法如下所述：

(5a)、涂层的抗菌防污性能测试方法

大肠杆菌(E.coli)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)分别接种于包含10mL胰蛋白胨大豆肉汤培养基(TSB)的三角烧瓶中，在恒温摇床中培养10h(37℃，振荡速率200r/min)，然后用麦氏比浊法分别稀释成1×10

将实施例所采用的不锈钢316L基材(SS)及其涂层样品置于12孔板中，分别加入1mL上述制备的细菌TSB悬浮液，置于37℃培养箱培养24h。孵化后取出样品用0.9％NaCl溶液温和的清洗涂层表面，然后转移至新的12孔培养板中，再加入1mL TSB培养基和适量的SYTO 9/PI染液，培养15min，用Nikon80i型正置荧光显微镜观察并拍摄样品表面细菌粘附状况，实验结果均重复至少3次，并利用Image J软件根据荧光图像确定大肠杆菌(E.coli)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)的定量统计数据。

图6所示为大肠杆菌(E.coli)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)在SS、SS-PISA、SS-PF

(5b)、涂层的长期抗菌防污性能测试方法

将实施例所采用的不锈钢316L基材(SS)及其涂层样品SS-PISA、SS-PF

SS和SS-PISA自身不具有杀菌活性，并且没有负载GS，所以没有产生抑菌圈。对于负载GS的涂层，涂层SS-PF

以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此。凡依本发明申请专利范围未违背本发明涉及原则所做的均等变化、简化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。