阅读说明：本技术 一种基于天然多糖的骨科临时植入体的表面智能涂层的制备方法及其产品 (Preparation method of surface intelligent coating of orthopedic temporary implant based on natural polysaccharide and product thereof ) 是由 徐福建 章露娇 段顺 于 2019-11-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于天然多糖的骨科临时植入体的表面智能涂层的制备方法,步骤为：1)将第一种多糖和高碘酸钠反应,得到醛化度为55％～65％的醛化多糖；2)将补强多糖在热水中溶解,得到溶液a,将抗生素溶于pH＝9～10的碳酸钠溶液,得到溶液b,将溶液b加入溶液a中混合均匀,加入步骤1)所述的醛化多糖,制得成膜液；3)在反应器中放入骨科临时植入体,加入步骤2)所述的成膜液,在30～60℃缓慢挥发,将骨科临时植入体表面均匀包裹上复合膜；4)将步骤3)中制得的材料放入加入交联剂溶液中浸泡5～20min,取出用水清洗,烘干,得到修饰上复合膜的骨科临时植入体。本发明产品抗菌效果优异。(The invention discloses a preparation method of an intelligent coating on the surface of an orthopedic temporary implant based on natural polysaccharide, which comprises the following steps: 1) reacting the first polysaccharide with sodium periodate to obtain hydroformylation polysaccharide with a hydroformylation degree of 55-65%; 2) dissolving reinforced polysaccharide in hot water to obtain a solution a, dissolving antibiotics in a sodium carbonate solution with the pH value of 9-10 to obtain a solution b, adding the solution b into the solution a, uniformly mixing, and adding the hydroformylation polysaccharide obtained in the step 1) to obtain a film forming solution; 3) placing the orthopedic temporary implant into a reactor, adding the film-forming liquid obtained in the step 2), slowly volatilizing at 30-60 ℃, and uniformly wrapping the surface of the orthopedic temporary implant with a composite film; 4) and (3) soaking the material prepared in the step 3) in a crosslinking agent adding solution for 5-20 min, taking out, washing with water, and drying to obtain the orthopedic temporary implant decorated with the composite membrane. The product of the invention has excellent antibacterial effect.)

一种基于天然多糖的骨科临时植入体的表面智能涂层的制备 方法及其产品

技术领域

本发明属于医用材料领域，涉及一种基于天然多糖的骨科临时植入体的表面智能涂层的制备方法及其产品。

背景技术

骨科临床上经常发生植入物相关感染，主要为细菌局部繁殖、菌血症这两大问题。骨科植入体感染存在高发性、反复性和迟发性的特点，往往导致治疗失败，甚至危及患者的健康。为了解决骨科植入体的感染问题，在表面功能化方面已经做了许多的努力。例如，在表面构建阳离子涂层进行接触式杀菌。在文献报道的杀菌阳离子聚合物中，季铵盐化合物(QACs)衍生的聚阳离子，聚乙烯亚胺衍生物，壳聚糖衍生物等通过膜裂解机制破坏细菌细胞膜的完整性，使细胞内容物泄出而显示强大的抗菌活性。此外，也可在表面负载杀菌剂，进行释放型杀菌。生物杀灭剂包括银纳米粒子(AgNPs)、抗生素和氮氧化物等被预先加载或嵌入，然后缓慢释放到附近环境中以杀灭细菌。还有报道在表面修饰光敏剂进行光热杀菌，利用近红外光照射光热剂材料铂、金等产生过高热，通过热消融方式杀死细菌。

中国专利公开号CN106512083A公开了一种医用钛合金的制备方法。该专利运用双乳液法、水热法处理等使PLGA载药纳米粒子接到钛基表面，所制备的产品具有良好的生物活性和抗菌性能。但该方法步骤繁琐，实验过程中涉及强酸强碱，存在一定危险性，缺乏高效实用性。

中国专利公开号CN102758202B公开了一种医用钛及钛合金表面抗菌涂层的制备方法。该专利通过将纳米预涂层制备、载银处理与微弧氧化技术相结合，实现了银在医用钛及钛合金表面的大量固定和长期缓慢释放，能够显著提高钛及钛合金的抗菌性能，并使抗菌效果能够长时间维持。但该方法中的抗菌剂银存在一定的生物毒性，使得该方法的应用受到一定的限制。

中国专利公开号CN106867042A公开了一种流延法制备纳米纤维素/壳聚糖/聚乙烯醇复合膜及其在生物抗菌膜中的应用方法。该专利以聚乙烯醇为基体聚合物，纳米纤维素为增强剂、壳聚糖为天然抗菌剂采用流延法完成复合膜产品制备工艺。该方法制备的复合膜易操作、力学性能优异、光学性能良好，但壳聚糖的牢固结合，长期存在容易导致细菌的耐药性。

中国专利公开号CN103191467A公开了一种医用金属表面缓释多种细胞生长因子的抗菌涂层的制备方法。该方法采用酰胺键共价结合的方式在氧化石墨烯上接枝带氨基的抗生素，并通过层层自组装的方法将分别包裹多种细胞生长因子的纳米颗粒固定在氧化石墨烯层之间，从而在医用金属表面得到同时载有多种细胞生长因子及抗生素的涂层。该法制备的涂层能够独立控制各种细胞生长因子的缓慢有序释放，并且能在细胞生长因子缓慢释放的整个过程中，均有抗生素的释放。但该方法无法调控抗生素的自适应释放，采用的氧化石墨烯具有潜在的毒性，同时层层自组装缺乏一定的高效实用性。

如上所述，表面功能化仍存在一定的问题，抗菌剂长期存在诱发细菌耐药性，细菌易在表面定植导致抗菌剂失效，植入体表面相容性差，所选材料具有一定毒性等。为解决以上问题，本发明希望开发一种制备工艺简单，具有良好生物相容性和自适应释放抗菌性能的智能涂层。智能涂层是指通过对骨科临时植入体进行表面修饰，使其具有细菌应答能力，能够通过自适应释放抗菌物质进行杀菌，以达到抗感染的目的，从而提高植入手术的成功率。本发明开发的智能涂层通过在表面牢固天然多糖提供反应位点，使植入体具有良好的生物相容性。抗生素与多糖位点通过对细菌酸性微环境具有响应断裂性的席夫碱键连接，使抗生素能够自适应性释放杀菌，从而实现细菌的快速精准高效杀灭，同时极大程度的避免了细菌耐药性的产生。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于既能使植入体具有良好的生物相容性，又具备优异的抗感染性能，提供一种基于天然多糖的骨科临时植入体的表面智能涂层的制备方法。

本发明具体提供了如下的技术方案：

1、一种基于天然多糖的骨科临时植入体的表面智能涂层的制备方法，步骤为：

1)将第一种多糖和高碘酸钠反应，得到醛化度为55％～65％的醛化多糖；

2)将补强多糖在热水中溶解，得到溶液a，将抗生素溶于pH＝9～10的碳酸钠溶液，得到溶液b，将溶液b加入溶液a中混合均匀，加入步骤1)所述的醛化多糖，制得成膜液；

3)在反应器中放入骨科临时植入体，加入步骤2)所述的成膜液，在30～60℃缓慢挥发，将骨科临时植入体表面均匀包裹上复合膜；

4)将步骤3)中制得的材料放入加入交联剂溶液中浸泡5～20min，取出用水清洗，烘干，得到修饰上复合膜的骨科临时植入体。

进一步，步骤1)所述的第一种多糖为纤维素、淀粉、海藻酸钠、透明质酸钠、葡聚糖、普鲁兰多糖、琼脂糖或昆布糖，步骤2)所述的补强多糖为明胶、黄原胶、果胶或***树胶。

进一步，步骤1)所述的第一种多糖为海藻酸钠，步骤2)所述的补强多糖为明胶。

进一步，按质量份数计，步骤1)所述的第一种多糖为1～15份，高碘酸钠为0.1～5份，步骤2)所述的醛化多糖为1～10份，补强多糖为5～50份，碳酸钠为0.5～5份，抗生素为0.1～3份，步骤3)所述的交联剂为1～3份，其中，补强多糖的份数应高于醛化多糖份数。

进一步，步骤2)所述的醛化多糖为1～5份，补强多糖2～10份。

进一步，步骤1)所述的反应的反应温度为25℃～37℃，反应时间为20h～30h。

进一步，步骤2)所述的热水的温度为60～100℃。

进一步，步骤3)所述的挥发的时间为7h～10h。

进一步，步骤4)所述的交联剂为京尼平、戊二醛或甲醛。

2、根据上述一种基于天然多糖的骨科临时植入体的表面智能涂层的制备方法制备得到的材料。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明通过两种不同多糖，一种为补强多糖，另一种为醛化多糖，在30～60℃共混缓慢挥发，使分子链由无规状态逐渐变得有序规整，通过氢键作用等在材料表面形成网络体系，通过一步法在表面实现肉眼可见的涂层修饰，制备方法操作简单，实验过程绿色环保，结果可控，制备成本低。本发明在调控多糖配比时选用补强多糖比例高于醛化多糖是因为当醛化多糖比例过高时会导致两种多糖之间的交联程度增加，分子链缠结更紧密，分子链移动速度变慢，水分挥发时分子链来不及重排导致表面膜破裂，而明胶仍保持蛋白质弹性的特性，当其配比高时分子链具有一定的弹性，水分挥发时分子链间距随之缩短，表面均匀成膜。

(2)本发明采用共混挥发时醛化多糖上的醛基与抗生素的氨基形成的席夫碱键实现抗生素的自适应释放，较全身给药方式可在局部形成较高浓度而不进入循环系统，对身体重要脏器无毒副作用，实现智能化快速高效精准杀菌，并有效减少细菌耐药性的产生。

(3)本发明交联剂的使用使该材料在利用明胶良好补强成膜效果的同时规避其结构易解散的问题，使表面涂层能实现长效稳定抗菌效果。由于明胶是温敏材料，在人体37℃环境中其结构会发生解散，体外模拟实验表明表面涂层在37℃生理盐水中浸泡1～6h可完全溶解，不符合长期稳定设想，通过步骤4)的交联剂对膜进行后处理可以使其具有良好的稳定性，体外模拟7天37℃浸泡实验，经过7天的浸泡表面涂层未发生结构解散现象，将该浸泡材料进行抗菌实验仍具有良好的抗菌效果。

(4)本发明采用来源广泛的天然多糖提供反应位点，使得修饰的植入体生物相容性好，具有良好抗污效果，安全无毒，可直接用于医疗用途。

(5)本发明抗菌性能优异，具有长期稳定的抗菌效果，可从一定程度上减少骨科手术中的感染。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图：

图1为按照实施例1的植入体材料表面修饰前后效果对比图。

图2为按照实施例1的步骤(1)将多糖进行醛化前后对比及希夫试剂表征。

图3为按照实施例2、4、5得到的基于天然多糖的骨科临时植入体的表面智能涂层的抗菌效果图。

图4为对比例1和对比例2的植入体表面成膜效果图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例1

(1)将1g海藻酸钠用0.432g高碘酸钠在25℃下反应24h，然后用去离子水透析3天，冻干，得到所需的醛化度为35％的醛化海藻酸钠；

(2)在西林瓶中加入150mg明胶，加入3mL水在60℃加热溶解，得到溶液1，称取20mg抗生素溶于2mL pH＝10的碳酸钠溶液，得到溶液2，将溶液2加入溶液1中混合均匀，混合一段时间后加入50mg的醛化度为35％的醛化海藻酸钠，制得成膜液；

(3)在反应器中放入骨科临时植入体，加入成膜液，整个体系在40℃缓慢挥发7h，骨科临时植入体表面均匀包裹上复合膜。

(4)用水配制质量分数为2.5％的戊二醛溶液，将(3)中制得的材料放入戊二醛溶液中浸泡30min，取出用水清洗，烘干得到修饰上复合膜的骨科临时植入体。

图1是按照实施例1的步骤，修饰上复合膜的骨科临时植入体和原植入体进行对比的效果图，从图1中可以看到，通过实施例1的制备方法，植入体表面均匀修饰上一层膜。

图2(a)是按照实施例1的步骤(1)将多糖进行醛化后与原多糖就行对比的效果图，醛化前，多糖为粉末状，并略微发黄，醛化后，呈白色棉絮状，并用希夫试剂对多糖进行显色反应——具体操作步骤为在试管中加入1mL希夫试剂，向其中投入一定量的醛化前后多糖，放置一段时间后进行观察，由图2(b)可见，未醛化多糖与希夫试剂不发生显色反应，醛化后的多糖，由于醛基与希夫试剂发生反应，溶液变为紫色，证明多糖被成功醛化。

实施例2

(1)将1g海藻酸钠用1.03g高碘酸钠在25℃下反应24h，然后用去离子水透析3天，冻干，得到所需的醛化度为56％的醛化海藻酸钠；

(2)在西林瓶中加入150mg明胶，加入3mL水在60℃加热溶解，得到溶液1，称取20mg抗生素溶于2mLpH＝10的碳酸钠溶液，得到溶液2，将溶液2加入溶液1中混合均匀，混合一段时间后加入50mg的醛化度为56％的醛化海藻酸钠，制得成膜液；

(3)在反应器中放入骨科临时植入体，加入成膜液，整个体系在40℃缓慢挥发7h，骨科临时植入体表面均匀包裹上复合膜。

(4)用水配制质量分数为2.5％的戊二醛溶液，将(3)中制得的材料放入戊二醛溶液中浸泡30min，取出用水清洗，烘干得到修饰上复合膜的骨科临时植入体。

实施例3

(1)将1g海藻酸钠用1.5g高碘酸钠在25℃下反应24h，然后用去离子水透析3天，冻干，得到所需的醛化度为81.3％的醛化海藻酸钠；

(2)在西林瓶中加入150mg明胶，加入3mL水在60℃加热溶解，得到溶液1，称取20mg抗生素溶于2mLpH＝10的碳酸钠溶液，得到溶液2，将溶液2加入溶液1中混合均匀，混合一段时间后加入50mg的醛化度为81.3％的醛化海藻酸钠，制得成膜液；

(3)在反应器中放入骨科临时植入体，加入成膜液，整个体系在40℃缓慢挥发7h，骨科临时植入体表面均匀包裹上复合膜。

(4)用水配制质量分数为2.5％的戊二醛溶液，将(3)中制得的材料放入戊二醛溶液中浸泡30min，取出用水清洗，烘干得到修饰上复合膜的骨科临时植入体。

实施例4

(1)将1g透明质酸钠用0.532g高碘酸钠在25℃下反应24h，然后用去离子水透析3天，冻干，得到所需的醛化度为45％的醛化透明质酸钠；

(2)在西林瓶中加入100mg果胶，加入3mL水在60℃加热溶解，得到溶液1，称取20mg抗生素溶于2mLpH＝10的碳酸钠溶液，得到溶液2，将溶液2加入溶液1中混合均匀，混合一段时间后加入50mg的醛化度为45％的醛化透明质酸钠，制得成膜液；

(3)在反应器中放入骨科临时植入体，加入成膜液，整个体系在40℃缓慢挥发7h，骨科临时植入体表面均匀包裹上复合膜。

(4)用水配制质量分数为2.5％的戊二醛溶液，将(3)中制得的材料放入戊二醛溶液中浸泡30min，取出用水清洗，烘干得到修饰上复合膜的骨科临时植入体。

实施例5

(1)将1g葡聚糖用0.924g高碘酸钠在25℃下反应24h，然后用去离子水透析3天，冻干，得到所需的醛化度为55.3％的醛化透明质酸钠；

(2)在西林瓶中加入150mg黄原胶，加入3mL水在60℃加热溶解，得到溶液1，称取20mg抗生素溶于2mLpH＝10的碳酸钠溶液，得到溶液2，将溶液2加入溶液1中混合均匀，混合一段时间后加入50mg的醛化度为55.3％的醛化葡聚糖，制得成膜液；

(3)在反应器中放入骨科临时植入体，加入成膜液，整个体系在40℃缓慢挥发7h，骨科临时植入体表面均匀包裹上复合膜。

(4)用水配制质量分数为2.5％的戊二醛溶液，将(3)中制得的材料放入戊二醛溶液中浸泡30min，取出用水清洗，烘干得到修饰上复合膜的骨科临时植入体。

对比例1

(1)将1g海藻酸钠用1.03g高碘酸钠在25℃下反应24h，然后用去离子水透析3天，冻干，得到所需的醛化度为56％的醛化海藻酸钠；

(2)在西林瓶中加入100mg明胶，加入3mL水在60℃加热溶解，得到溶液1，称取20mg抗生素溶于2mLpH＝10的碳酸钠溶液，得到溶液2，将溶液2加入溶液1中混合均匀，混合一段时间后加入150mg的醛化度为56％的醛化海藻酸钠，制得成膜液；

(3)在反应器中放入骨科临时植入体，加入成膜液，整个体系在40℃缓慢挥发7h，骨科临时植入体表面均匀包裹上复合膜。

(4)用水配制质量分数为2.5％的戊二醛溶液，将(3)中制得的材料放入戊二醛溶液中浸泡30min，取出用水清洗，烘干得到修饰上复合膜的骨科临时植入体。

对比例2

(1)将1g海藻酸钠用1.03g高碘酸钠在25℃下反应24h，然后用去离子水透析3天，冻干，得到所需的醛化度为56％的醛化海藻酸钠；

(2)在西林瓶中加入100mg明胶，加入3mL水在60℃加热溶解，得到溶液1，称取20mg抗生素溶于2mLpH＝10的碳酸钠溶液，得到溶液2，将溶液2加入溶液1中混合均匀，混合一段时间后加入100mg的醛化度为56％的醛化海藻酸钠，制得成膜液；

(3)在反应器中放入骨科临时植入体，加入成膜液，整个体系在40℃缓慢挥发7h，骨科临时植入体表面均匀包裹上复合膜。

(4)用水配制质量分数为2.5％的戊二醛溶液，将(3)中制得的材料放入戊二醛溶液中浸泡30min，取出用水清洗，烘干得到修饰上复合膜的骨科临时植入体。

图4(a)为按对比例1的制备方法制备的材料表面成膜情况，(b)为按对比例2的制备方法制备的材料表面成膜情况，从图4可以看出，当补强多糖与醛化多糖配比不合适——即当补强多糖与醛化多糖比例为1:1或醛化多糖配比高于补强多糖时，材料表面成膜不均匀，膜存在破碎翘起现象，在表面粘附效果较差易脱落。

实施例6抗菌性能测试

对实施例2、实施例4和实施例5的产品进行抗菌性能测试，所测得结果如图3所示。抗菌性能测试采用ASTM E2149标准。具体过程为取4μL大肠杆菌于4mLLB培养液中，放于37℃摇床中进行孵育，将大肠杆菌孵育至1*10⁸CFU/mL，取出稀释至1*10⁵CFU/mL，在48孔板中分别放入未修饰植入体，按实施例2、4、5修饰的植入体，每组三个平行样，往每个孔中加入300μL1*10⁵CFU/mL的菌液，将孔板放入37℃的摇床中孵育12h，取出孔板从每个孔中吸取100μL的菌液置于96孔板中进行OD600测定，根据测定值计算获得材料的杀菌率。

从图3中可以看出，三种材料均具有良好的抗菌性，三组材料均达到99％的杀菌效果，可以实现快速高效精准杀菌，而对照组(未修饰的原始植入体)无抗菌效果，其表面细菌大量繁殖。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。