一种具有细菌响应性防污的两性离子水凝胶涂层及其制备方法与流程

1.本发明涉及高分子水凝胶技术领域，尤其涉及一种具有细菌响应性防污的两性离子水凝胶涂层及其制备方法。


背景技术：

2.在生物医疗领域，生物污染极易发生在如传感器、介入导管或骨类材料等器械设备上，从而导致炎症反应、排斥反应等。同时，由于医疗设备应用广泛，常处在血液、体液等复杂环境内，该领域中形成的生物污染以血栓和细菌膜生成为主，这对患者的生命安全造成了极大威胁。生物污染的发展过程首先是蛋白质在材料表面吸附，形成一层蛋白质层，接着，细菌、血细胞等的黏附被引发，最终导致细菌感染或血栓等。所以用于生物医用领域的水凝胶涂层的抗菌和抗粘附特性对于避免细菌感染是必需的。kisuk yang等人使用儿茶酚功能化聚合物水凝胶膜在尿道导管制备坚固的低摩擦抗生素涂层。使用简单的浸涂方法，在弱碱性缓冲液中使用儿茶酚缀合的壳聚糖溶液在基材上形成微米级厚度的稳定壳聚糖水凝胶涂层。该水凝胶涂层可以减少表面摩擦，通过使用共轭邻苯二酚基团作为还原剂简单地添加硝酸银溶液，将抗菌银纳米颗粒掺入水凝胶可以最大限度地减少细菌在导管表面的结合(kisuk yang,kyuri kim,eunjee a.lee,et al,robust low friction antibiotic coating of urethral catheters using a catechol
‑
functionalized polymeric hydrogel film[j].frontiers in materials,2019,6:274.)。
[0003]
透明质酸(ha)是一种天然多糖，其重复单元由d
‑
葡萄糖醛酸和n
‑
乙酰氨基葡萄糖组成，是细胞外基质的关键成分。由于细菌分泌透明质酸酶，与底物透明质酸反应后可以使表面的细菌随ha层降解脱落，这样独特的响应性使得透明质酸有很大的潜力被用于治疗抗细菌黏附的场合。pirah ayaz等人开发了一种基于聚丙烯酸和壳聚糖季铵盐的逐层组装的抗菌药物控释多层表面。其中硫酸庆大霉素(gs)被加入多层，透明质酸被用作顶部的密封层。在细菌进攻时，微环境的ph值略有升高，多层膜随之膨胀后会释放药物。同时，细菌分泌的透明质酸酶(haase)触发ha层降解加速gs释放，发挥抗菌活性。该表面对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌都表现出很高的抗菌活性(pirah ayaz,bingjie xu,xiansheng zhang,et al.aph and hyaluronidase dual
‑
responsive multilayer
‑
based drug delivery system for resisting bacterial infection[j].applied surface science,2020,527:146806.)。
[0004]
但是上述多层缓释表面的制备较为复杂，且容易受到环境因素的影响而导致水凝胶涂层或透明质酸层的脱落，从而导致抗菌性能的下降与抗菌时间的缩短。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是为了克服现有技术中制备工艺复杂、稳定性较低的缺点，提供一种具有细菌响应性防污的两性离子水凝胶涂层及其制备方法，实现如下的目的：一、探索具
有一定流程，使其制备过程更加简便、高效。结合力的水凝胶涂层的配方；二、使水凝胶涂层在细菌分泌透明质酸酶作用下降解涂层防止细菌黏附具有细菌响应性；三、水凝胶涂层具有优异的稳定性和机械性能；四、简化制备。
[0006]
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种具有细菌响应性防污的两性离子水凝胶涂层，所述水凝胶涂层中含有透明质酸，所述水凝胶涂层为两性离子聚合物且聚合物分子链上同时带有阴、阳离子基团。
[0007]
水凝胶涂层中含有的透明质酸能够在细菌分泌透明质酸酶的条件下降解水凝胶涂层，水凝胶涂层降解后，细菌和其他微生物也随降解的涂层脱落，从而能够有效防止细菌和蛋白的黏附。水凝胶涂层为两性离子聚合物，聚合物分子链上同时带有阴、阳离子基团，可以通过溶剂化作用强烈结合水分子，产生排斥力，能够有效地抵抗蛋白质或者细菌、细胞的黏附。
[0008]
一种具有细菌响应性防污的两性离子水凝胶涂层，按如下方法制得：1)将透明质酸上接枝甲基丙烯酰胺；2)将聚合物基底在氧等离子体处理后再在疏水性引发剂下浸泡；3)配制两性离子单体、透明质酸、n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺和引发剂混合溶液；4)对混合溶液进行除氧，并去除混合溶液中的气泡，得到预液；5)将预液均匀的滴涂在聚合物基底表面，静置一段时间；6)将静置结束的聚合物基底，在紫外光通过透光模具照射下反应结束后，在超声清洗除去未交联的水凝胶涂层，结束后得到均匀的具有细菌响应性防污的两性离子水凝胶涂层。
[0009]
本发明采用先将透明质酸接枝有甲基丙酰胺后，在两性离子单体、透明质酸与n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)在引发剂的作用下与聚合物基底在一定条件下进行反应，使得聚合物基底在疏水性引发剂的浸泡下，通过共价键的方式接枝了水凝胶的弹性网络，从而使得含有透明质酸的水凝胶涂层与聚合物基底之间形成界面互穿并牢固地结合在一起，具有一定的结合力与较低的摩擦系数，从而具有较好的稳定性且能够长期保存。具体的，本发明制备得到的两性离子水凝胶涂层能够在细菌响应作用下防止细菌黏附时间为132h，在132h时细菌仍只有较少的黏附；和/或在去离子水中的保存时间为2个月无明显变化；和/或弯折150次无裂纹；和/或摩擦400次水接触角变化不大。
[0010]
作为优选，所述步骤1)中：透明质酸分子量小于5000；和/或透明质酸的接枝率为65～75％。过高分子量的透明质酸可能会导致其在受到细菌分泌的透明质酸酶后，仅部分降解而不能及时与其上的细菌一起脱落，导致本发明防细菌黏附的效果降低。
[0011]
作为优选，所述步骤2)中：聚合物基底为pdms；和/或氧等离子体处理时间为0.5～5min；和/或疏水性引发剂为二苯甲酮甲醇或异丙醇溶液，浸泡时间为5～240min；作为优选，所述步骤3)的混合溶液中：两性离子单体的浓度为0.1～4.0mol/l；和/或透明质酸的浓度为相对于两性离子单体的0.4～0.8mol％；和/或n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺的浓度为相对于两性离子单体的0.01～0.20mol％；和/或引发剂用量为相对于两性离子单体的0.5～4.0mol％；和/或配置过程为将两性离子单体、透明质酸、n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺和引发剂溶解于溶剂中随后搅拌均匀。
[0012]
作为优选，所述溶剂包括水。
[0013]
作为优选，所述步骤3)中：引发剂包括α
‑
酮戊二酸；和/或两性离子单体包括磺酸甜菜碱甲基丙烯酸甲酯与羧酸甜菜碱甲基丙烯酸甲酯中的一种或两种。磺酸甜菜碱甲基丙烯酸甲酯(sbma)与羧酸甜菜碱甲基丙烯酸甲酯(cbma)在后续的反应中均能接到聚合物分子链上起到结合水分子并产生排斥力的作用，其中两性离子单体更优选为磺酸甜菜碱甲基丙烯酸甲酯(sbma)。
[0014]
作为优选，所述步骤4)中：除氧通过通入氮气或惰性气体降低氧气溶解性的方式进行；和/或去除混合溶液中气泡的方法为超声。
[0015]
作为优选，所述步骤5)中的静置时间为0～60min。步骤5)中均匀滴涂可以保证聚合物基底大小以及滴涂预聚液的体积一致，静置时间的长短可根据混合效果与均匀度在0～60分钟内进行调整。
[0016]
作为优选，所述步骤6)中：透光模具包括玻璃模具；和/或紫外光波长为350～380nm，照射时间为3～8h；和/或超声清洗时间为0.5～2h。
[0017]
综上所述，本发明具有以下有益效果：制备方法简洁、高效且环保，对环境友好；水凝胶涂层由两性离子、mba和透明质酸制成，聚合物基底在疏水性引发剂浸泡下时水凝胶的弹性网络共价接枝上去，水凝胶涂层和聚合物基底之间形成界面互穿牢固结合，本发明具有一定的结合力和较低摩擦系数，在细菌分泌透明质酸酶的情况下使涂层降解脱落达到抗细菌黏附的效果；在去离子水中能够长期保存；具有优异的亲水性、抗弯折性能以及耐摩擦性能。
附图说明
[0018]
图1为本发明实施例4所制得的在金黄色葡萄球菌分别附着在(a1～a3)有水凝胶涂层的pdms和(b1～b3)pdms上的荧光显微镜图像。
[0019]
图2为本发明实施例4所制得的水凝胶涂层在金黄色葡萄球菌菌液共孵育涂层表面的场发射电子显微镜图像。
[0020]
图3为本发明实施例4所制得的水凝胶涂层在透明质酸酶溶液中浸泡涂层表面的场发射电子显微镜图像。
[0021]
图4为本发明实施例4所制得水凝胶涂层的弯折150次前后的场发射电子显微镜图像。
[0022]
图5为本发明实施例4所制得水凝胶涂层用3d打印的大肠摩擦400次前后的水接触角图像。
[0023]
图6为本发明实施例4所制得水凝胶涂层在去离子水中浸泡60天的图像。
具体实施方式
[0024]
以下结合附图对本发明的实施方式给出详细介绍，但本发明的保护范围不限于此。
[0025]
如无特殊说明，本发明实施例中所用原料均为市售或本领域技术人员可获得的原料；如无特殊说明，本发明实施例中所用方法均为本领域技术人员所掌握的方法。
[0026]
总实施例一种高强度可降解的抗菌水凝胶的制备方法，所述制备方法包括以下制备步骤：
1)将透明质酸上接枝甲基丙烯酰胺，其中透明质酸的分子量小于5000，透明质酸的接枝率为65～75％；2)将聚合物基底在氧等离子体处理0.5～5min后再在疏水性引发剂下浸泡5～240min，其中聚合物基底为pdms，疏水性引发剂为二苯甲酮甲醇或异丙醇溶液；3)将两性离子单体、透明质酸、n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)和α
‑
酮戊二酸在去离子水中溶解后搅拌均匀形成混合溶液，其中两性离子单体包括磺酸甜菜碱甲基丙烯酸甲酯与羧酸甜菜碱甲基丙烯酸甲酯中的一种或两种且浓度为0.1～4.0mol/l，透明质酸的浓度为相对于两性离子单体的0.4～0.8mol％，n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺的浓度为相对于两性离子单体的0.01～0.20mol％，引发剂用量为相对于两性离子单体的0.5～4.0mol％；4)将混合溶液通入氮气或惰性气体中进行除氧，并通过超声去除混合溶液中的气泡，得到预液；5)将预液均匀的滴涂在聚合物基底表面，静置0～60min；6)将静置结束的聚合物基底在玻璃模具350～380nm的紫外光照射3～8h至反应结束后，超声清洗0.5～2h除去未交联的水凝胶涂层，结束后得到均匀的具有细菌响应性防污的两性离子水凝胶涂层。
[0027]
实施例1～9一种高强度可降解的抗菌水凝胶的制备方法，所述制备方法包括以下制备步骤：1)将透明质酸上接枝甲基丙烯酰胺，其中透明质酸的分子量小于5000，透明质酸的接枝率为70.6％；2)将聚合物基底在氧等离子体处理2min后再在疏水性引发剂下浸泡5～240min，其中聚合物基底为pdms，疏水性引发剂为二苯甲酮甲醇溶液；3)将两性离子单体、透明质酸、n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)和α
‑
酮戊二酸在去离子水中溶解后搅拌均匀形成混合溶液，其中两性离子单体为浓度为0.1～4.0mol/l的磺酸甜菜碱甲基丙烯酸甲酯，透明质酸的浓度为相对于两性离子单体的0.4～0.8mol％，n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺的浓度为相对于两性离子单体的0.01～0.20mol％，引发剂用量为相对于两性离子单体的0.5～4.0mol％；4)将混合溶液通入氮气中进行除氧，并通过超声去除混合溶液中的气泡，得到预液；5)将预液均匀的滴涂在聚合物基底表面，静置0～60min；6)将静置结束的聚合物基底在玻璃模具365nm的紫外光照射6h至反应结束后，超声清洗1h除去未交联的水凝胶涂层，结束后得到均匀的具有细菌响应性防污的两性离子水凝胶涂层。
[0028]
其中实施例1至实施例9中步骤3)配料如下表表1所示，其中mba、透明质酸用量均为相对于磺酸甜菜碱甲基丙烯酸甲酯的相对摩尔百分比(mol％)。
[0029]
表1步骤3)配料表。
[0030]
上接续表此外，实施例1～9步骤2、5、6)的具体制备参数如下表表2所示。
[0031]
表2具体制备参数。
[0032]
依照表1配料、表2的制备参数进行制备，并在制备结束后对实施例1～9所制得的水凝胶涂层进行性能测试。所述性能测试包括以下几个方面：结合力性能测试：将制得的含水凝胶涂层的聚合物样品裁剪成直径为25mm的圆形样(厚度为3mm)，采用高级拓展流变仪测试样品在恒定法向力条件下扭矩随时间的变化情况；摩擦系数的计算公式如下，其中w为法向力，旋转角速度ω＝0.5rad/s，t为实验所测得的扭矩(单位：mn
·
m)，r＝12.5mm；(2)抗菌性能测试：将水凝胶涂层用75％酒精和pbs缓冲液浸泡10min后的片状样品置于12孔板中，在每个孔中加入3ml金黄色葡萄球菌菌液，控制菌液的光密度(od)为0.05，然后将12孔板放入摇床中，使样品与菌液在37℃下以120rpm的转速共培养12h。然后在无光条件下将其用染色剂染色15min，用磷酸缓冲液pbs洗涤后用倒置荧光显微镜观察细菌黏附情况，灭菌后对用场发射电子显微镜观察表面形貌；
(3)降解性能测试：将水凝胶置于pbs缓冲液中完全溶胀，随后将水凝胶涂层块状样品取出置于十二孔板中，添加1mg/l透明质酸酶的pbs溶液，放入37℃摇床中。每天更换，用场发射电子显微镜记录表面形貌变化；(4)抗弯折性能测试：将带有水凝胶涂层的pdms进行150次的弯折实验，对弯折前后的表面形貌用场发射电子显微镜进行观察；(5)抗摩擦性能测试：将水凝胶涂层上放置载有50g砝码的3d打印的大肠在恒定力下拉动大肠滑动，摩擦次数为400次；采用光学接触角测量仪对摩擦前后的涂层表面静态接触角θ进行测定，测定结果为左右接触角的平均值；(6)稳定性测试：将水凝胶涂层常温下在去离子水中浸泡60天，每天换水观察表面和去离子水中的变化情况并拍照纪录。
[0033]
实施例1所制得聚合物基底的疏水性引发剂不同浸泡时间的摩擦系数如表3所示。当浸泡时间逐渐增大时，水凝胶涂层的摩擦系数样品力学性能先提高后降低，在浸泡时间为5min时，其摩擦系数达到最低值0.05。
[0034]
表3实施例1所制得的水凝胶涂层在疏水性引发剂中不同浸泡时间的摩擦系数。浸泡时间空白5min30min120min240min摩擦系数0.680.050.460.080.12
[0035]
实施例2所制得的水凝胶预聚液不同静置时间水凝胶涂层的摩擦系数如表4所示，随着静置时间的增加，水凝胶涂层样品的摩擦系数先降低后增加，在静置时间为0.5h时，其摩擦系数达到最低值0.05。
[0036]
表4实施例2所制得的水凝胶涂层在预聚液中不同静置时间的摩擦系数。静置时间空白0h0.5h1h摩擦系数0.680.580.050.4
[0037]
实施例3、4、5、6所制得的不同sbma含量水凝胶涂层的摩擦系数如表5所示，当sbma含量增加时摩擦系数先降低后增加，水凝胶涂层的摩擦系数整体呈增大趋势，在sbma浓度为0.5m最低。
[0038]
表5实施例3至6所制得的不同sbma含量水凝胶涂层的摩擦系数。sbma浓度空白0.1m0.5m2m4m摩擦系数0.680.070.050.160.2
[0039]
实施例7、8、9所制得的不同mba含量水凝胶涂层的摩擦系数如表6所示，当mba含量增加凝胶涂层的摩擦系数先降低后增加，在mba相对于sbma的含量为0.1mol％时最低为0.05。
[0040]
表6实施例7至9所制得的不同mba含量水凝胶涂层的摩擦系数。mba浓度空白0.02mol％0.1mol％0.2mol％摩擦系数0.680.380.050.49
[0041]
实例4所制得的金黄色葡萄球菌分别附着在(a1～a3)有水凝胶涂层的pdms和(b1～b3)pdms上的荧光显微镜图像。从图1中可以看出，与pdms相比，所制得的水凝胶涂层具有良好的抗菌效果。
[0042]
实施例4所制得的金黄色葡萄球菌菌液共孵育下水凝胶涂层表面的场发射电子显微镜图像如图2所示，从图中可以看出，水凝胶涂层表面在第4、5天出现了层状结构，在此过
程中出现了涂层降解脱落的情况。
[0043]
实施例4所制得的水凝胶涂层降解的场发射电子显微镜图像如图3所示，可以看出水凝胶涂层在第4、5天也出现了层状结构，在此过程中出现了涂层降解脱落的情况。
[0044]
实施例4所制得的水凝胶涂层弯折150次的场发射电子显微镜图像如图4所示，弯折前后的样品表面都观察不到大量明显的裂痕。
[0045]
实施例4所制得的水凝胶涂层摩擦400次的水接触角图像如图5所示，摩擦前后的静态水接触角相比之前仅有略微的上升，涂层表面依旧保持亲水。
[0046]
实施例4所制得的水凝胶涂层在去离子水中浸泡60天的图像如图6所示，浸泡后的涂层并无明显变化。
[0047]
实施例10一种高强度可降解的抗菌水凝胶的制备方法，所述制备方法包括以下制备步骤：1)将透明质酸上接枝甲基丙烯酰胺，其中透明质酸的分子量小于5000，透明质酸的接枝率为65％；2)将聚合物基底在氧等离子体处理2min后再在疏水性引发剂下浸泡5min，其中聚合物基底为pdms，疏水性引发剂为二苯甲酮甲醇；3)将两性离子单体、透明质酸、n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)和α
‑
酮戊二酸在去离子水中溶解后搅拌均匀形成混合溶液，其中两性离子单体为磺酸甜菜碱甲基丙烯酸甲酯与羧酸甜菜碱甲基丙烯酸甲酯的按照浓度1：1的混合物且总两者浓度为4.0mol/l，透明质酸的浓度为相对于两性离子单体的0.4mol％，n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺的浓度为相对于两性离子单体的0.01mol％，引发剂用量为相对于两性离子单体的2mol％；4)将混合溶液通入氮气中进行除氧，并通过超声去除混合溶液中的气泡，得到预液；5)将预液均匀的滴涂在聚合物基底表面，静置30min；6)将静置结束的聚合物基底在玻璃模具380nm的紫外光照射3h至反应结束后，超声清洗2h除去未交联的水凝胶涂层，结束后得到均匀的具有细菌响应性防污的两性离子水凝胶涂层。
[0048]
实施例11一种高强度可降解的抗菌水凝胶的制备方法，所述制备方法包括以下制备步骤：1)将透明质酸上接枝甲基丙烯酰胺，其中透明质酸的分子量小于5000，透明质酸的接枝率为75％；2)将聚合物基底在氧等离子体处理0.5min后再在疏水性引发剂下浸泡30min，其中聚合物基底为pdms，疏水性引发剂为异丙醇溶液；3)将两性离子单体、透明质酸、n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)和α
‑
酮戊二酸在去离子水中溶解后搅拌均匀形成混合溶液，其中两性离子单体为羧酸甜菜碱甲基丙烯酸甲酯且浓度为0.1mol/l，透明质酸的浓度为相对于两性离子单体的0.8mol％，n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺的浓度为相对于两性离子单体的0.20mol％，引发剂用量为相对于两性离子单体的0.5mol％；4)将混合溶液通入氦气中进行除氧，并通过超声去除混合溶液中的气泡，得到预液；
5)将预液均匀的滴涂在聚合物基底表面，静置60min；6)将静置结束的聚合物基底在玻璃模具350nm的紫外光照射3h至反应结束后，超声清洗0.5h除去未交联的水凝胶涂层，结束后得到均匀的具有细菌响应性防污的两性离子水凝胶涂层。
[0049]
实施例12一种高强度可降解的抗菌水凝胶的制备方法，所述制备方法包括以下制备步骤：1)将透明质酸上接枝甲基丙烯酰胺，其中透明质酸的分子量小于5000，透明质酸的接枝率为70％；2)将聚合物基底在氧等离子体处理5min后再在疏水性引发剂下浸泡5min，其中聚合物基底为pdms，疏水性引发剂为异丙醇溶液；3)将两性离子单体、透明质酸、n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺(mba)和α
‑
酮戊二酸在去离子水中溶解后搅拌均匀形成混合溶液，其中两性离子单体为磺酸甜菜碱甲基丙烯酸甲酯且浓度为0.2mol/l，透明质酸的浓度为相对于两性离子单体的0.6mol％，n,n
’‑
亚甲基双丙烯酰胺的浓度为相对于两性离子单体的0.1mol％，引发剂用量为相对于两性离子单体的4.0mol％；4)将混合溶液通入氮气中进行除氧，并通过超声去除混合溶液中的气泡，得到预液；5)将预液均匀的滴涂在聚合物基底表面，静置0～60min；6)将静置结束的聚合物基底在玻璃模具350nm的紫外光照射3h至反应结束后，超声清洗2h除去未交联的水凝胶涂层，结束后得到均匀的具有细菌响应性防污的两性离子水凝胶涂层。
[0050]
通过上述大量的检测结果表明，本发明制备方法简洁、高效且环保，对环境友好；水凝胶涂层由两性离子、mba和透明质酸制成，聚合物基底在疏水性引发剂浸泡下时水凝胶的弹性网络共价接枝上去，水凝胶涂层和聚合物基底之间形成界面互穿牢固结合，本发明具有一定的结合力和较低摩擦系数，在细菌分泌透明质酸酶的情况下使涂层降解脱落达到抗细菌黏附的效果；在去离子水中能够长期保存；具有优异的亲水性、抗弯折性能以及耐摩擦性能，因此本发明在生物医用表面材料领域，尤其是作为医用导管表面涂层等方面具有广阔的应用前景。