一种具有优异长效抗凝血及抗菌抗污性能的生物医用涂层及其制备方法

文档序号：1896738 发布日期：2021-11-30 浏览：32次 >En<

阅读说明：本技术 一种具有优异长效抗凝血及抗菌抗污性能的生物医用涂层及其制备方法 (Biomedical coating with excellent long-acting anticoagulation, antibiosis and anti-fouling performances and preparation method thereof ) 是由王云兵刘坤鹏罗日方杨立张凡军于 2021-09-02 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种具有优异长效抗凝血及抗菌抗污性能的生物医用涂层及其制备方法,制备方法,依次包括以下步骤：(1)对基底材料进行清洁,然后进行引发剂的固定；(2)在光照条件下,将两性离子单体与含双键和羧基的单体反应1-3h,清洗,得医用涂层；(3)将步骤(2)所得医用涂层置于酸性环境中,用混合液进行活化,然后加入抗菌剂反应24h,再依次经清洗和干燥,得具有优异长效抗凝血及抗菌抗污性能的生物医用涂层。本发明还包括采用上述方法制得的生物医用涂层。本发明基于含两性离子水凝胶的良好血液相容性、阻抗蛋白吸附功能和抗菌剂的杀菌作用,实现在血液接触器械表面抗凝、抗菌,抗污的目的。(The invention provides a biomedical coating with excellent long-acting anticoagulation and antibacterial and anti-fouling performances and a preparation method thereof, wherein the preparation method sequentially comprises the following steps: (1) cleaning the substrate material, and then fixing an initiator; (2) under the condition of illumination, reacting a zwitterionic monomer with a monomer containing double bonds and carboxyl for 1-3h, and cleaning to obtain a medical coating; (3) and (3) placing the medical coating obtained in the step (2) in an acid environment, activating by using the mixed solution, adding an antibacterial agent to react for 24 hours, and then sequentially cleaning and drying to obtain the biomedical coating with excellent long-acting anticoagulation and antibacterial and anti-fouling performances. The invention also comprises the biomedical coating prepared by the method. The invention realizes the purposes of anticoagulation, antibiosis and stain resistance on the surface of a blood contact apparatus based on the good blood compatibility, the protein-resistant adsorption function and the sterilization function of an antibacterial agent of the hydrogel containing zwitterion.)

技术领域

本发明属于生物医用材料技术领域，具体涉及一种具有优异长效抗凝血及抗菌抗污性能的生物医用涂层及其制备方法。

背景技术

细菌感染和血栓是血液接触器械和材料面对的两大并发症，这些问题会导致植入体失效，进而给病人带来巨大的痛苦。在临床上，医生常采用溶栓药物和抗生素联合治疗来解决这一问题。但溶栓药物和抗生素的过度使用会带来大出血和产生耐药菌的风险。因此，表面功能化可作为提高医疗器械和植入物抗菌抗血栓性能的有效手段。

在材料表面杀菌和抗污是减少细菌感染的两种策略，前者是通过掺杂重金属离子，涂覆抗生素和偶联阳离子聚合物来实现的。后者是通过接枝亲水聚合物来实现，如聚乙二醇(PEG)和两性离子聚合物。水与亲水组分会发生相互作用形成水化层。亲水组分会产生立体排斥，显著减少了非特异性吸附，如蛋白质、细菌等。与此同时，防污策略对抗血栓也是有效的，因为他们具有相同的原理，能够减少血小板和纤维蛋白的吸收和激活。然而，单靠防污策略不足以长期阻止细菌的粘附和生长。此外，防污表面不能灭活细菌，未被杀死的细菌会导致血液或其他部位的感染。同时，杀菌表面也有一定的缺点，如寿命短、毒性大、血液相容性差等，这限制了其在血液相关医疗器械中的应用。由此来看，仅具有防污或杀菌性能的单功能表面在临床应用中是不够的。与此同时，功能表面的稳定性也是一个严重问题。不稳定、易降解的表面无法持续发挥作用。因此，兼具防污和杀菌性能的高稳定性双功能表面是解决血栓和细菌感染的可行办法。抗菌剂种类繁多，包括抗生素、重金属离子、阳离子物物质、抗菌肽等等。抗生素是一种已经在临床上得到大范围应用的抗菌剂，其安全性、有效性已经得到证实和考验。抗菌肽是一种天然存在于机体中的肽类物质，是先天免疫的重要组成部分。抗菌肽被认为是一种有价值的发挥理想抗菌性能的药物。许多研究者将抗菌肽应用于表面改性，但当这些肽被固定作为抗菌涂层时，也带了来许多问题，如抗菌活性大大降低，易吸附蛋白质和死亡的细菌，因为抗菌肽的阳离子性，可以触发免疫反应和炎症，并可能阻断抗菌功能基团。更重要的是，由于AMPs的阳离子性，它们也容易吸附并激活血小板，增加血栓发生的风险，还可能诱发红细胞溶血，限制了其在血液接触器或移植物中的应用。在已报道的防污表面改性中，水凝胶涂层是一个十分有应用前景的策略。因为水凝胶具有良好的抗污性能和血液相容性和可调节的化学结构。此外，微米厚的水凝胶涂层比纳米厚的涂层更稳定，具有更大的强度，结合牢固不易脱落，而且水凝胶涂层可以方便地装载不同且丰富的药物来完成多种功能，如抗菌、抗炎、抗凝血等。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种具有优异长效抗凝血及抗菌抗污性能的生物医用涂层及其制备方法，基于含两性离子水凝胶的良好血液相容性、阻抗蛋白吸附功能和抗菌剂的杀菌作用，实现在血液接触器械表面抗凝、抗菌，抗污的目的。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种具有优异长效抗凝血及抗菌抗污性能的生物医用涂层的制备方法，依次包括以下步骤：

(1)对基底材料进行清洁，然后进行引发剂的固定；

(2)在光照条件下，将两性离子单体与含双键和羧基的单体反应1-3h，清洗，得医用涂层；

(3)将步骤(2)所得医用涂层置于酸性环境中，用混合液进行活化，然后加入抗菌剂反应24h，再依次经清洗和干燥，得具有优异长效抗凝血及抗菌抗污性能的生物医用涂层。

该技术方案是：

(1)对基底材料进行清洁，然后进行引发剂的固定。

(2)在反应体系中，两性离子单体的浓度范围为2.5wt％-15.0wt％，具有双键和羧基的单体的浓度范围为5.0wt％-25.0wt％。在紫外光照条件下，两种单体发生原位聚合，反应时间为1-3小时，得医用涂层，反应完成后，用去离子水清洗表面2-3天除去残留的未反应单体。其中两性离子可以为磷铵、磺铵、羧铵三大类。

(3)将制备得到涂层置于酸性环境(pH范围为5.0-6.0)中，用1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)/N-羟基琥珀酰亚胺酯(NHS)活化表面羧基，后将抗菌剂加入溶液体系，其浓度可为1-10mg/mL,反应24h。其中可用于接枝的抗生素种类繁多，可为抗生素、具有不同的氨基酸序列组合的抗菌肽等等。

(4)制备得到的涂层清洗3次，每次15min，然后在氮气条件下干燥，制得。

进一步，基底材料为高分子基生物材料或基于高分子基的复合生物材料。

进一步，高分子基生物材料为聚氯乙烯、聚氨酯、聚乳酸或聚乙烯吡咯烷酮。

进一步，引发剂为含卤键的单体、二苯甲酮或偶氮二异丁腈。

进一步，两性离子为2-(甲基丙烯酰氧基)乙基-2-(三甲基氨基)乙基磷酸酯、[2-(甲基丙烯酰基氧基)乙基]二甲基-(3-磺酸丙基)氢氧化铵或3-[[2-(甲基丙烯酰氧)乙基]二甲基铵]丙酸酯。

进一步，含双键和羧基的单体为甲基丙烯酸。

进一步，混合液为0.1-0.5M的1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐和0.05-0.2M的N-羟基琥珀酰亚胺酯混合而成的混合液。

进一步，抗菌剂为抗生素或抗菌肽，浓度为1-10mg/mL。

进一步，两性离子单体浓度为2.5-15wt％，含双键和羧基的单体浓度为5-25wt％。

进一步，步骤(3)中，清洗2-4次，每次10-20min，在氮气条件下干燥。

上述的具有优异长效抗凝血及抗菌抗污性能的生物医用涂层的制备方法制得的具有优异长效抗凝血及抗菌抗污性能的生物医用涂层。

综上所述，本发明具备以下优点：

1、本发明基于含两性离子水凝胶的良好血液相容性、阻抗蛋白吸附功能和抗菌剂的杀菌作用，实现在血液接触器械表面抗凝、抗菌，抗污的目的。制备过程反应条件温和，操作简单。通过在材料表面原位引入引发剂，在紫外光照射下原位引发交联形成均匀的水凝胶涂层。制备得到的水凝胶涂层具有优异的稳定性，能够在模拟体液中浸泡一个月无降解。

2、本发明中水凝胶涂层中含有两性离子，因此涂层表面会由自由水形成一层“水化层”，具有抗污抗凝特性，可以有效地阻抗非特异性蛋白粘附，进而能够阻抗血液里的蛋白和细胞的粘附以及细菌的粘附。抗菌剂的引入使得涂层具有优异的杀菌性能，引入抗菌剂的种类可以为抗生素、抗菌肽等等。水凝胶涂层的存在既屏蔽了抗菌剂的细胞毒性，有很好的保护了抗菌剂的活性，使得涂层具有长效抗菌的作用。

3、引发剂可以通过物理沉积或浸入的方式在材料表面进行固定，紫外光照引发的条件下，产生自由基，使两种单体的双键打开，发生交联反应，在材料表面原位形成水凝胶涂层。之后将未反应的单体通过长时间清洗除去未反应的单体。清洗后，将水凝胶涂层浸泡到1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)/N-羟基琥珀酰亚胺酯(NHS)活化表面羧基。活化后的羧基与抗菌剂结合，将抗菌剂结合到水凝胶涂层的表面，同时赋予涂层优异的杀菌能力。由于水凝胶涂层中含有大量两性离子，因此具有抗凝抗污作用。被杀死的细菌不会粘附在涂层表面，所以涂层不会因为细菌的积累而抗菌效率降低，另外水凝胶涂层保护了抗菌剂，保证长期稳定的抗菌作用。两性离子可有效阻抗非特异性蛋白吸附，因此由其制得的医用涂层能够阻抗血液里的蛋白和细胞吸附，具有良好的血液相容性。综上所述，本发明制备方法操作简单，反应条件温和，制得的涂层具有优异的杀菌、抗污性能和血液相容性，为血液接触医疗器械的抗菌抗凝抗污提供了一种新思路。

4、为了实现抗菌和抗血栓的双重功能，提高抗菌剂的稳定性，减少阳离子性的负面影响，本发明提出了一种抗菌剂-水凝胶涂层包埋策略。包埋的抗菌剂使水凝胶包衣具有抗菌性能，并保持了水凝胶包衣良好的抗凝抗污性能。在本研究中，我们选择表面引发聚合的方法在聚合物基材上形成一层薄薄的涂层，以具有双键的酸类物质和两性离子作为单体引发聚合。采用物理吸附和化学接枝法将两种不同的抗菌剂嵌入水凝胶包覆层中，以达到抗凝、抗菌、抗污效果。

5、该方法操作简单、反应条件温和，制备的涂层与基底材料牢固结合，涂层中同时含有两性离子聚合物和抗菌剂。两性离子具有抗凝和抗污作用，同时由其聚合得到的水凝胶涂层对抗菌剂具有保护作用，同时屏蔽了抗菌剂的细胞毒性，使材料既具有长期的抗菌防污作用，也具有良好的血液相容性，可用于包括体外膜氧合(ECMO)循环管路、中心静脉导管、抗心衰治疗用透析管路、留置针等血液接触材料/器械的抗凝抗菌应用改性需求。

附图说明

图1为实施例1中的具有优异长效抗凝血及抗菌抗污性能的生物医用涂层与未做涂层的聚四氟乙烯材料表面接触血小板后扫描电镜图片；

图2为实施例1中所述具有优异长效抗凝血及抗菌抗污性能的生物医用涂层与未做涂层的聚四氟乙烯材料表面抗菌的克隆富营养培养涂板图片。

具体实施方式

实施例1

一种具有优异长效抗凝血及抗菌抗污性能的生物医用涂层，其制备方法依次包括以下步骤：

(1)对聚氯乙烯导管进行清洁，后将二苯甲酮灌注其中，进行固定；

(2)将两性离子单体2-(甲基丙烯酰氧基)乙基-2-(三甲基氨基)乙基磷酸酯(MPC)和具有双键、羧基的单体甲基丙烯酸(AAc)灌注入聚氯乙烯导管，两种单体的比例为3:7，在紫外光照射下发生原位聚合，反应时间为1小时，得水凝胶涂层，反应完成后，去离子水清洗表面2-3天除去残留的未反应的2-(甲基丙烯酰氧基)乙基-2-(三甲基氨基)乙基磷酸酯(MPC)和甲基丙烯酸(AAc)；

(3)将制备得到水凝胶涂层置于酸性环境(pH＝4.0)中，用1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)/N-羟基琥珀酰亚胺酯(NHS)活化表面羧基，后将抗菌肽(序列为WRWRWR-NH2)加入溶液体系，其浓度可为1mg/mL，反应24h，制得水凝胶包埋的抗菌肽涂层；用去离子水清洗3次，每次15分钟，然后在氮气条件下干燥，得具有优异长效抗凝血及抗菌抗污性能的生物医用涂层。

实施例2