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CN114702624A - 一种基于多糖聚合物抗菌材料及制备方法 - Google Patents

一种基于多糖聚合物抗菌材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于多糖聚合物抗菌材料及其制备方法，该材料是由双键封端的含糖基单体、双键封端的抗菌单体及交联单体通过共聚而成，按摩尔百分含量计算，双键封端的含糖基单体的含量10~70%，抗菌单体的含量在10~30%，其余为交联单体的摩尔含量，本专利利用糖基单体的亲水性和生物安全性，结合抗菌剂的杀菌作用，制备生物相容性的抗菌表面，适用于生物医用材料与器械。

Description

一种基于多糖聚合物抗菌材料及制备方法
技术领域
本发明属于聚合物抗菌材料领域，具体涉及一种基于多糖聚合物抗菌材料及制备方法。
背景技术
细菌感染仍然是生物医用材料应用中的一个严重健康问题。医用材料表面的细菌定植和增殖会导致移植失败，甚至对患者健康构成严重威胁。预防细菌感染的常见策略是在表面上构建含有杀菌剂的涂层，可以在细菌对材料构成威胁之前将其杀死。其中抗生素能够快速有效地杀死表面的细菌，但产生耐药性的可能性很高。虽然一些杀菌剂可以有效地杀死细菌，但同时高成本、细胞毒性高及操作复杂等问题不容忽视，因此限制了其在生物医学材料中的使用，亟需良好生物相容性的抗菌表面。
碳水化合物是自然界中最丰富、最重要的生物大分子之一。碳水化合物作为物质，大量存在于动物的细胞外基质和各种植物、细菌、真菌等的细胞壁中，充当支架。基于碳水化合物大分子的资源和化学结构，包括天然产生的多糖、天然合成的多糖、糖共聚物/糖树状聚合物、超分子糖共聚物和合成糖脂/糖蛋白等。一些常见的多糖具有刚性和功能可控的生物相容性特点，可形成高分子生物材料，广泛应用于药物传递、组织工程等领域。糖基聚合物具有独特性能，在材料表面固定糖基聚合物可以极大地改变物理和化学性质，提高生物相容性能。因此，将含有糖基单元和抗菌单体的共聚物涂覆于医用材料表面，对提高抗菌涂层的生物相容性具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于多糖聚合物抗菌材料及制备方法，利用糖基单体的亲水性和生物安全性，结合抗菌剂的杀菌作用，制备生物相容性的抗菌表面，适用于生物医用材料与器械。
本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：一种基于多糖聚合物抗菌材料，该材料是由双键封端的含糖基单体、双键封端的抗菌单体及交联单体通过共聚而成，按摩尔百分含量计算，双键封端的含糖基单体的含量10～70％，抗菌单体的含量在10～30％，其余为交联单体的摩尔含量。
进一步的，双键封端的含糖基单体的结构式为：
Figure BDA0003480855190000021
中的任意一种。
进一步的，R1为
Figure BDA0003480855190000031
中的任意一项，
R2为
Figure BDA0003480855190000032
中的任意一项。
进一步的，双键封端的抗菌单体的结构式为
Figure BDA0003480855190000033
进一步的，交联单体为甲基丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸、丙烯酸、甲基丙烯酰胺、丙烯酰胺、甲基丙烯酸2-氨基乙基酯盐酸盐、N-(3,4-二羟基苯乙基)甲基丙烯酰胺或3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷中的任意一种。
一种基于多糖聚合物抗菌材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将双键封端的含糖基单体、双键封端的抗菌单体、交联单体及引发剂溶于N,N-二甲基甲酰胺和甲醇或水的混合溶剂中；N,N-二甲基甲酰胺和甲醇或水的体积比为(1～10):1；
步骤二、在步骤一的混合溶液中进行氮气鼓泡，鼓泡25～40min，将混合溶液升至65～75℃，反应12～30h，得产物，将产物在去离子水中透析2～3天，对透析后的产物进行冷冻干燥得最终产物。
进一步的，引发剂为偶氮二异丁腈(AIBN)、偶氮二异庚腈(ABVN)、偶氮二异丁酸二甲酯(AIBME)、4,4'-偶氮双(4-氰基戊酸)(ACVA)、过硫酸钾(KPS)、过硫酸铵(APS)或过氧化苯甲酰(BPO)中的任意一种，引发剂的加入量是含糖基单体、抗菌单体、交联单体总摩尔量的1/1000～1/100。
一种基于多糖聚合物抗菌材料的使用方法，包括以下步骤：
S1、将多糖聚合物抗菌材料溶解在溶剂中；
S2、将预清洗的基材浸于S1的溶液中5～30min；
S3、将基材轻轻取出后自然流平，置于烘箱中，在温度为60～140℃的条件下热固化20～120min，并用步骤S1中的溶剂轻轻冲洗后得最终。
进一步的，S1中的溶剂为乙醇、水、PBS或Tris缓冲液中的任意一种。
进一步的，多糖聚合物抗菌材料在混合溶液中的质量分数为5～30wt％。
本发明的有益效果为：本发明所述的多糖抗菌聚合物是由双键封端的含糖基单体、双键封端的抗菌单体及交联单体通过自由基聚合或可逆加成-断裂链转移共聚而成；利用糖基单体的亲水性和生物安全性，结合抗菌剂的杀菌作用，制备生物相容性的抗菌表面，适用于生物医用材料与器械。
附图说明
图1是本发明实施例1中未涂敷抗菌糖基聚合物基材和表面涂敷抗菌糖基聚合物基材的抗菌性能对比图；
图2是本发明实施例1材料表面的生物相容性评估图；
图3是本发明实施例2未涂敷抗菌糖基聚合物基材和表面涂敷抗菌糖基聚合物基材的抗菌性能对比图；
图4是本发明实施例2材料表面的生物相容性评估图；
具体实施方式
结合具体实施方式对本发明实施例加以详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种基于多糖聚合物抗菌材料，该材料是由双键封端的含糖基单体、双键封端的抗菌单体及交联单体通过共聚而成，按摩尔百分含量计算，双键封端的含糖基单体的含量10～70％，抗菌单体的含量在10～30％，其余为交联单体的摩尔含量。
进一步的，双键封端的含糖基单体的结构式为：
Figure BDA0003480855190000051
中的任意一种。
进一步的，R1为
Figure BDA0003480855190000052
中的任意一项，
R2为
Figure BDA0003480855190000053
中的任意一项。
进一步的，双键封端的抗菌单体的结构式为
Figure BDA0003480855190000061
进一步的，交联单体为甲基丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸、丙烯酸、甲基丙烯酰胺、丙烯酰胺、甲基丙烯酸2-氨基乙基酯盐酸盐、N-(3,4-二羟基苯乙基)甲基丙烯酰胺或3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷中的任意一种。
一种基于多糖聚合物抗菌材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将双键封端的含糖基单体、双键封端的抗菌单体、交联单体及引发剂溶于N,N-二甲基甲酰胺和甲醇或水的混合溶剂中；N,N-二甲基甲酰胺和甲醇或水的体积比为(1～10):1；
步骤二、在步骤一的混合溶液中进行氮气鼓泡，鼓泡25～40min，将混合溶液升至65～75℃，反应12～30h，得产物，将产物在去离子水中透析2～3天，对透析后的产物进行冷冻干燥得最终产物。
进一步的，引发剂为偶氮二异丁腈(AIBN)、偶氮二异庚腈(ABVN)、偶氮二异丁酸二甲酯(AIBME)、4,4'-偶氮双(4-氰基戊酸)(ACVA)、过硫酸钾(KPS)、过硫酸铵(APS)或过氧化苯甲酰(BPO)中的任意一种，引发剂的加入量是含糖基单体、抗菌单体、交联单体总摩尔量的1/1000～1/100。
一种基于多糖聚合物抗菌材料的使用方法，包括以下步骤：
S1、将多糖聚合物抗菌材料溶解在溶剂中；
S2、将预清洗的基材浸于S1的溶液中5～30min；
S3、将基材轻轻取出后自然流平，置于烘箱中，在温度为60～140℃的条件下热固化20～120min，并用步骤S1中的溶剂轻轻冲洗后得最终。
进一步的，S1中的溶剂为乙醇、水、PBS或Tris缓冲液中的任意一种。
进一步的，多糖聚合物抗菌材料在混合溶液中的质量分数为5～30wt％。
实施例1：
将30.5g 2-乳双酰胺乙基甲基丙烯酰胺(LAEMA)、6.23g甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵(META)、2.21g N-(3,4-二羟基苯乙基)甲基丙烯酰胺(DMA)和引发剂0.28g ACVA溶于85.0mL N,N-二甲基甲酰胺和甲醇的混合溶液(v/v＝1:1)中。氮气鼓泡30min后，升温至70℃聚合反应24h。将混合溶液用去离子水透析2天后冷冻干燥，得到含糖基共聚物p(LAEMA-co-META-co-DMA)。自由基聚合反应的过程如下：
Figure BDA0003480855190000071
将得到糖基抗菌聚合物以5.0～30wt％分散于去离子水中，然后将基材预清洗后浸于上述溶液5～30min，或喷涂于基材表面；缓慢取出，静置，使其自然流平；在60～140℃温度下热固化20～120min，并轻轻冲洗后得到。
选择革兰氏阴性菌大肠杆菌作为模型细菌，利用平板菌落计数法评估材料的抗菌效果。以未涂敷抗菌糖基聚合物基材作为空白对照组，实验结果如图1所示，空白组表面收集细菌远远多于实验组表面的细菌(p＜0.05)，表明修饰后的表面具有良好的抗菌性能。
利用MTT法评估材料表面的生物相容性，测定方法采用GB/T16886.5-2017。以不含单体2-乳双酰胺乙基甲基丙烯酰胺的聚合物p(META-co-DMA)作为对照组，实验结果如图2所示，由含LAEMA修饰后的表面细胞活力明显增加，具有良好的生物相容性。
实施例2：
将17.4g 2-(甲基丙烯酰胺)吡喃葡萄糖(MG)、4.06g 1-乙烯基-3-丁基咪唑溴化物(VBMB)、1.30g甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)和0.20g引发剂ACVA溶于60.0mL N,N-二甲基甲酰胺和去离子水的混合溶液中(v/v＝2:1)。通入氮气鼓泡30min后，将体系升温至70℃聚合24h。反应结束后，将共聚物用去离子水透析2天以除去未反应完的单体，然后冷冻干燥，得到含糖基共聚物p(MG-co-VBMB-co-HEMA)。聚合反应的过程如下：
Figure BDA0003480855190000081
将得到共聚物以5.0～30wt％分散于乙醇中，然后将基材预清洗后浸于上述溶液5～30min，或旋涂于基材表面；缓慢取出，静置，使其自然流平；在60～140℃温度下热固化20-120min，并轻轻冲洗后得到。
采用大肠杆菌(革兰氏阴性菌)测试聚合物表面的杀菌效果，以未涂敷抗菌糖基聚合物基材作为空白对照组，实验结果如图3所示，空白组表面的平板菌落数量远远多于实验组(p＜0.05)，表明修饰后的表面具有良好的抗菌效果。
MTT法测定的实验结果如图4所示。与不含单体2-乳双酰胺乙基甲基丙烯酰胺的聚合物p(VBMB-co-HEMA)作对比，实验组的细胞活力明显增加。
应当指出，虽然通过上述实施方式对本发明进行了描述，然而本发明还可以有其他的多种实施方式。在不脱离本发明精神和范围的前提下，熟悉本领域的技术人员显然可以对本发明做出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应当属于本发明所附权利要求及其等效物所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种基于多糖聚合物抗菌材料，其特征在于：该材料是由双键封端的含糖基单体、双键封端的抗菌单体及交联单体通过共聚而成，按摩尔百分含量计算，双键封端的含糖基单体的含量10～70％，抗菌单体的含量在10～30％，其余为交联单体的摩尔含量。
2.根据权利要求1所述的一种基于多糖聚合物抗菌材料，其特征在于：双键封端的含糖基单体的结构式为
Figure FDA0003480855180000011
中的任意一种。
3.根据权利要求2所述的一种基于多糖聚合物抗菌材料，其特征在于：R1为
Figure FDA0003480855180000012
中的任意一项，R2为
Figure FDA0003480855180000013
中的任意一项。
4.根据权利要求1所述的一种基于多糖聚合物抗菌材料，其特征在于：双键封端的抗菌单体的结构式为
Figure FDA0003480855180000021
5.根据权利要求1所述的一种基于多糖聚合物抗菌材料，其特征在于：交联单体为甲基丙烯酸缩水甘油酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸、丙烯酸、甲基丙烯酰胺、丙烯酰胺、甲基丙烯酸2-氨基乙基酯盐酸盐、N-(3,4-二羟基苯乙基)甲基丙烯酰胺或3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的一种基于多糖聚合物抗菌材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、将双键封端的含糖基单体、双键封端的抗菌单体、交联单体及引发剂溶于N,N-二甲基甲酰胺和甲醇或水的混合溶剂中；N,N-二甲基甲酰胺和甲醇或水的体积比为(1～10):1；
步骤二、在步骤一的混合溶液中进行氮气鼓泡，鼓泡25～40min，将混合溶液升至65～75℃，反应12～30h，得产物，将产物在去离子水中透析2～3天，对透析后的产物进行冷冻干燥得最终产物。
7.根据权利要求1所述的一种基于多糖聚合物抗菌材料的制备方法，其特征在于：引发剂为偶氮二异丁腈(AIBN)、偶氮二异庚腈(ABVN)、偶氮二异丁酸二甲酯(AIBME)、4,4'-偶氮双(4-氰基戊酸)(ACVA)、过硫酸钾(KPS)、过硫酸铵(APS)或过氧化苯甲酰(BPO)中的任意一种，引发剂的加入量是含糖基单体、抗菌单体、交联单体总摩尔量的1/1000～1/100。
8.根据权利要求1～7任意一项所述的一种基于多糖聚合物抗菌材料的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、将多糖聚合物抗菌材料溶解在溶剂中；
S2、将预清洗的基材浸于S1的溶液中5～30min；
S3、将基材轻轻取出后自然流平，置于烘箱中，在温度为60～140℃的条件下热固化20～120min，并用步骤S1中的溶剂轻轻冲洗后得最终。
9.根据权利要求1～2任意一项所述的一种基于多糖聚合物抗菌材料的使用方法，其特征在于：S1中的溶剂为乙醇、水、PBS或Tris缓冲液中的任意一种。
10.根据权利要求1～2任意一项所述的一种基于多糖聚合物抗菌材料的使用方法，其特征在于：多糖聚合物抗菌材料在混合溶液中的质量分数为5～30wt％。
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