一种具有骨诱导和协同抗菌功能的聚吡咯@纳米铜/帕米膦酸二钠复合涂层的制备方法
阅读说明：本技术 一种具有骨诱导和协同抗菌功能的聚吡咯@纳米铜/帕米膦酸二钠复合涂层的制备方法 (Preparation method of polypyrrole @ nano copper/pamidronate disodium composite coating with osteoinduction and synergistic antibacterial functions ) 是由 王英波 武华君 于 2021-05-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有骨诱导和光热/铜协同抗菌功能的聚吡咯@纳米铜/帕米膦酸二钠复合涂层的制备方法,该方法利用具有螯合能力和药物掺杂作用的聚吡咯对骨诱导剂帕米膦酸二钠和光热协同抗菌剂铜纳米粒子进行双重调控,来制备兼具骨诱导和光热/铜协同抗菌功能的复合涂层,该复合涂层通过脉冲电化学沉积技术能负载到人工骨生物医用材料如钛及其合金基底上,一方面能模拟体内的天然细胞外基质,快速促进成骨和血管生成,另一方面具有快速、持久抗细菌感染的效果,能广泛应用于骨损伤修复和骨缺损治疗领域。该制备方法操作简便,成本低廉,制得的复合涂层作为骨修复材料具有良好的应用前景。(The invention discloses a preparation method of a polypyrrole @ nano copper/disodium pamidronate composite coating with osteoinduction and photothermal/copper synergistic antibacterial functions, the method utilizes polypyrrole with chelation capacity and drug doping effects to carry out double regulation and control on disodium pamidronate serving as an osteoinducer and copper nanoparticles serving as a photothermal synergistic antibacterial agent to prepare the composite coating with osteoinduction and photothermal/copper synergistic antibacterial functions. The preparation method is simple and convenient to operate and low in cost, and the prepared composite coating has a good application prospect as a bone repair material.)
技术领域
本发明涉及一种医用高分子复合材料的制备方法，特别是涉及一种具有骨诱导和光热/铜协同抗菌功能的聚吡咯@纳米铜/帕米膦酸二钠复合涂层的制备方法。
背景技术
全世界数百万患者患有骨疾病或骨缺损，骨修复材料的研发是亟需解决的难题，理想的人工骨合成生物材料应该具有良好的生物相容性、生物活性、骨诱导性和抗菌性。
聚吡咯（Polypyrrole，PPy）是一种能通过电化学方法制备、具有良好生物相容性的导电高分子，其不仅可作为金属离子的稳定剂，而且氧化后携带的正电荷能与电解液中的带电离子发生静电作用而加强其稳定性，从而在药物递送方面被广泛应用。利用聚吡咯在电化学状态下氧化-还原状态的转变，在吡咯单体聚合过程中，阴离子药物被纳入聚合物中，以中和由氧化引起的正电荷，能达到药物作为掺杂剂掺入聚吡咯主链中的目的。
帕米膦酸二钠（Pamidronate disodium）是一种双膦酸盐，作为破骨细胞的有效抑制剂可以调节骨代谢，被广泛用于治疗多种骨吸收过度的疾病。由于帕米膦酸二钠对钙离子具有很高的亲和力，在吸附双磷酸盐的骨组织表面可以形成新骨，从而在在实际上加速了骨骼的再生。
骨感染是临床骨修复过程中急需攻克的难题，由于细菌所引起的骨感染会损害骨组织的愈合修复能力，导致植入物植入失败，因此研发具有抗菌性能的植入材料成为目前研究热点之一。骨感染主要由细菌感染引起，及时有效的杀死组织表面的细菌并抑制细菌生物膜的形成是抑制感染、促进骨组织愈合的关键所在。目前常见的治疗骨感染的方法是清创术和全身抗生素治疗，但在长期或过度使用抗生素会增加手术风险和产生耐药。因此，提高生物材料的细菌耐药性、抗骨感染能力成为亟待解决的难题。铜是人体必需的微量元素，铜纳米粒子(Copper nanoparticles, Cu-NPs)具有广泛的抗菌性和抗细菌耐药性能，且对近红外光具有响应性，在临床上被应用于杀灭生物材料上的细菌，其杀菌机制首先是铜Cu-NPs在细菌的细胞膜中积累和溶解，改变了细菌膜的通透性杀死细菌，其次水在Cu-NPs的近红外光的催化作用下产生了活性氧导致蛋白质功能障碍，从而杀死细菌，Cu-NPs对近红外光有响应，使得近红外光被吸收转化为热，进一步加强杀菌效果。值得注意的是，铜可以从死细菌中游离出来并重复上述循环，能够实现持久抗菌；此外铜纳米粒子还可以刺激骨的形成，促进血管生成，从而进一步促进骨组织修复。因此将铜纳米粒子引入骨修复复合材料能赋予后者快速、持久抗菌性能和成骨性能。
脉冲电化学沉积技术（Pulse electrochemical，PED）利用氧化-还原电位之间的切换，能在复杂的基底表面构建均匀的复合涂层，而且能通过调节电化学参数来精准控制涂层形态。设计理想的仿生复合涂层用于细胞粘附和增殖，促进新组织生长，并且防止早期细菌感染的发生。在骨组织工程中具有重要的应用价值。
基于此，综合聚吡咯对金属离子的螯合能力和药物掺杂作用，铜纳米粒子的广谱抗菌性、抗细菌耐药性和光热效应，帕米膦酸二钠的骨诱导性等各自特点，以及脉冲电化学沉积技术在构建形貌可控的复合涂层结构方面的独特优势，本发明提供一种具有骨诱导和光热/铜协同抗菌功能的聚吡咯@纳米铜/帕米膦酸二钠复合涂层的制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有骨诱导和光热/铜协同抗菌功能的聚吡咯@纳米铜/帕米膦酸二钠复合涂层的制备方法，利用具有螯合能力和药物掺杂作用的聚吡咯对骨诱导剂帕米膦酸二钠和光热协同抗菌剂铜纳米粒子进行双重调控，来制备兼具骨诱导和光热/铜协同抗菌功能的复合涂层，该复合涂层通过脉冲电化学沉积技术能负载到人工骨生物医用材料如钛及其合金基底上，能广泛应用于骨损伤修复和骨缺损治疗领域。
本发明通过下述的技术方案来实现：
一种具有骨诱导和光热/铜协同抗菌功能的聚吡咯@纳米铜/帕米膦酸二钠复合涂层的制备方法，包括如下步骤：
（1）将作为基体的钛板的表面用机械打磨以除去氧化层或有机层，再把钛板放入有机溶剂中进行超声清洗不少于10 min，然后用去离子水清洗干净；
（2）将步骤（1）所得的钛板放入无机酸溶液中进行充分酸洗和钝化，然后用去离子水清洗干净；
（3）将步骤（2）所得的钛板放入无机碱溶液中进行充分碱洗和钝化，然后用去离子水清洗干净，晾干备用；
（4）将吡咯溶于去离子水中，机械搅拌使其完全溶解，得到均匀的吡咯溶液；
（5）将纳米铜前驱体加入步骤（4）所得的吡咯溶液中，机械搅拌使其完全溶解，得到均匀稳定的混合溶液；
（6）将帕米膦酸二钠加入步骤（5）所得的混合溶液中，机械搅拌使其完全溶解，并用盐酸调节溶液的pH至5.0-5.1之间；
（7）将步骤（3）所得的钛板为工作电极组成三电极体系，把其置于步骤（6）所得的混合溶液中进行脉冲电化学沉积，得到聚吡咯@纳米铜/帕米膦酸二钠复合涂层，所述涂层样品自然晾干。
作为本发明技术方案的进一步优化，步骤（1）中所述的有机溶剂为丙酮、乙腈、乙酸乙酯、N, N-二甲基甲酰胺或三氯甲烷中的至少一种。
作为本发明技术方案的进一步优化，步骤（2）中所述的无机酸溶液为硫酸、盐酸或两者任意比例混合的水溶液，酸洗温度为50-80℃，酸洗时间为3-5 h。
作为本发明技术方案的进一步优化，步骤（3）中所述的无机碱溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂中至少一种的饱和水溶液，碱洗温度为50-80℃，碱洗时间为1-2 h。
作为本发明技术方案的进一步优化，步骤（4）中所述吡咯的加入浓度为2.0-2.2mL/L，步骤（5）中所述纳米铜前驱体的加入浓度为0.2-0.24g/L，步骤（6）中所述帕米膦酸二钠的加入浓度为0.8-1.2mg/L。
作为本发明技术方案的进一步优化，步骤（5）中所述的纳米铜前驱体为可溶于水的无机铜盐的至少一种。
作为本发明技术方案的进一步优化，步骤（7）中所述三电极体系中的辅助电极为钛、铂或碳电极，参比电极为饱和甘汞电极或银|氯化银电极。
作为本发明技术方案的进一步优化，步骤（7）中所述的脉冲电化学沉积参数包括，氧化电位0.8V，氧化时间为80-120 s，还原电位为-1.5V，还原时间为400-600 s，循环次数为5-8次，总时间为0.5-1.5 h。
作为本发明技术方案的进一步优化，所述纳米铜为铜单质纳米粒子。
综上所述，本发明具有骨诱导和光热/铜协同抗菌功能的聚吡咯@纳米铜/帕米膦酸二钠复合涂层的制备方法的优点在于：利用具有螯合能力和药物掺杂作用的聚吡咯对骨诱导剂帕米膦酸二钠和光热协同抗菌剂铜纳米粒子进行双重调控，来制备兼具骨诱导和光热/铜协同抗菌功能的复合涂层，该复合涂层通过脉冲电化学沉积技术能负载到人工骨生物医用材料如钛及其合金基底上，一方面能模拟体内的天然细胞外基质，快速促进成骨和血管生成，另一方面具有快速、持久抗细菌感染的效果，能广泛应用于骨损伤修复和骨缺损治疗领域。该制备方法操作简便，成本低廉，制得的复合涂层作为骨修复材料具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的实施例一制得的复合涂层的扫描电镜（SEM）图片；
图2为本发明的实施例一制得的复合涂层的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌定性图；
图3为本发明的实施例一制得的复合涂层的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌定量图；
图4为本发明的实施例一制得的复合涂层与钛基底的紫外吸收光谱图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
本发明提供一种具有骨诱导和光热/铜协同抗菌功能的聚吡咯@纳米铜/帕米膦酸二钠复合涂层的制备方法，包括如下步骤：
（1）将作为基体的钛板的表面用机械打磨以除去氧化层或有机层，再把钛板放入丙酮中进行超声清洗10 min，然后用去离子水清洗干净；
（2）将步骤（1）所得的钛板放入混合酸溶液（VH2SO4：VHCl：VH2O = 1：1：1）中，在恒温60℃下酸洗和钝化处理5 h，然后用去离子水清洗干净；
（3）将步骤（2）所得的钛板放入饱和氢氧化钠溶液中，在恒温60℃下碱洗和钝化处理1 h，然后用去离子水清洗干净，晾干备用；
（4）将2.0 mL吡咯溶于1000 mL去离子水中，机械搅拌使其完全溶解，得到均匀的吡咯溶液；
（5）将0.2 g硝酸铜加入步骤（4）所得的吡咯溶液中，机械搅拌使其完全溶解，得到均匀稳定的吡咯和硝酸铜混合溶液；
（6）将1.0mg帕米膦酸二钠加入步骤（5）所得的混合溶液中，机械搅拌使其完全溶解，并用盐酸调节溶液的pH至5.0-5.1之间；
（7）将步骤（3）所得的钛板为工作电极、钛箔为辅助电极、饱和甘汞电极为参比电极组成三电极体系，把其置于步骤（6）所得的混合溶液中进行脉冲电化学沉积，相关参数包括：氧化电位0.8V，氧化时间为90 s，还原电位为-1.5V，还原时间为450 s，循环次数为5次，总时间为0.75 h，得到聚吡咯@纳米铜/帕米膦酸二钠复合涂层，所述涂层样品自然晾干。
如图1-4所示，图1为聚吡咯@纳米铜/帕米膦酸二钠复合涂层的SEM图， 可以看出，复合涂层上的铜纳米颗粒分布较为均匀；图2为聚吡咯@纳米铜/ 帕米膦酸二钠复合涂层的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌定性图，可以看出，大 肠杆菌和金黄色葡萄球菌在基底钛表面生长较多，并形成菌落，这是由于基 底钛本身不具备抗菌性，聚吡咯@纳米铜/帕米膦酸二钠复合涂层表面则没有 观察到明显的大肠杆菌和金光色葡萄球菌菌落，这是由于复合涂层中铜纳米 粒子具有显著的抗菌性和抗细菌耐药性能；图3为聚吡咯@纳米铜/帕米膦酸二钠复合涂层的细菌定量图，由图可知，基底钛对大肠杆菌和金黄色葡萄球 菌的抗菌率均为0％，聚吡咯@纳米铜/帕米膦酸二钠复合涂层对两种细菌的抗 菌率均为100％，说明复合涂层具有优异的抗菌能力；图4为聚吡咯@纳米铜 /帕米膦酸二钠复合涂层与基底钛的紫外吸收光谱图，由图可知，基底钛涂层 在808nm处的吸光度为1.141，聚吡咯@纳米铜/帕米膦酸二钠复合涂层在 808nm处的吸光度为1.45，两者相比，聚吡咯@纳米铜/帕米膦酸二钠复合涂 层在808nm处的吸光度有所提高，这是因为铜纳米粒子具有表面等离子体共 振效应，增强了复合涂层的光吸收性能。
实施例二
本发明提供一种具有骨诱导和光热/铜协同抗菌功能的聚吡咯@纳米铜/帕米膦酸二钠复合涂层的制备方法，包括如下步骤：
（1）将作为基体的钛板的表面用机械打磨以除去氧化层或有机层，再把钛板放入乙酸乙酯中进行超声清洗15 min，然后用去离子水清洗干净；
（2）将步骤（1）所得的钛板放入盐酸溶液（VHCl：VH2O = 3：1）中，在恒温70℃下酸洗和钝化处理4 h，然后用去离子水清洗干净；
（3）将步骤（2）所得的钛板放入饱和氢氧化钾溶液中，在恒温70℃下碱洗和钝化处理1.5 h，然后用去离子水清洗干净，晾干备用；
（4）将2.1 mL吡咯溶于1000 mL去离子水中，机械搅拌使其完全溶解，得到均匀的吡咯溶液；
（5）将0.22 g硫酸铜加入步骤（4）所得的吡咯溶液中，机械搅拌使其完全溶解，得到均匀稳定的吡咯和硫酸铜混合溶液；
（6）将0.8mg帕米膦酸二钠加入步骤（5）所得的混合溶液中，机械搅拌使其完全溶解，并用盐酸调节溶液的pH至5.0-5.1之间；
（7）将步骤（3）所得的钛板为工作电极、铂片为辅助电极、银|氯化银电极为参比电极组成三电极体系，把其置于步骤（6）所得的混合溶液中进行脉冲电化学沉积，相关参数包括：氧化电位0.8V，氧化时间为100s，还原电位为-1.5V，还原时间为550 s，循环次数为7次，总时间为1.25h，得到聚吡咯@纳米铜/帕米膦酸二钠复合涂层，所述涂层样品自然晾干。
实施例三
本发明提供一种具有骨诱导和光热/铜协同抗菌功能的聚吡咯@纳米铜/帕米膦酸二钠复合涂层的制备方法，包括如下步骤：
（1）将作为基体的钛板的表面用机械打磨以除去氧化层或有机层，再把钛板放入等比例的乙腈和三氯甲烷混合溶液中进行超声清洗20 min，然后用去离子水清洗干净；
（2）将步骤（1）所得的钛板放入硫酸溶液（VH2SO4：VH2O = 2：1）中，在恒温80℃下酸洗和钝化处理3 h，然后用去离子水清洗干净；
（3）将步骤（2）所得的钛板放入饱和氢氧化锂溶液中，在恒温80℃下碱洗和钝化处理2 h，然后用去离子水清洗干净，晾干备用；
（4）将2.2 mL吡咯溶于1000 mL去离子水中，机械搅拌使其完全溶解，得到均匀的吡咯溶液；
（5）将0.24 g氯化铜加入步骤（4）所得的吡咯溶液中，机械搅拌使其完全溶解，得到均匀稳定的吡咯和氯化铜混合溶液；
（6）将1.2mg帕米膦酸二钠加入步骤（5）所得的混合溶液中，机械搅拌使其完全溶解，并用盐酸调节溶液的pH至5.0-5.1之间；
（7）将步骤（3）所得的钛板为工作电极、碳电极为辅助电极、饱和甘汞电极为参比电极组成三电极体系，把其置于步骤（6）所得的混合溶液中进行脉冲电化学沉积，相关参数包括：氧化电位0.8V，氧化时间为110 s，还原电位为-1.5V，还原时间为600 s，循环次数为8次，总时间为1.5 h，得到聚吡咯@纳米铜/帕米膦酸二钠复合涂层，所述涂层样品自然晾干。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明的范围，任何本领域的技术人员，凡在不脱离本发明的精神和原则之前提下，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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