CN116813963A - 一种角膜塑形镜原材料表面修饰材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种角膜塑形镜原材料表面修饰材料，在角膜塑形镜原材料表面构建双层聚合物分子刷进行修饰，所述双层聚合物分子刷以插入氨基苯硼酸(NBA)的pH响应的聚甲基丙烯酸(PMAA)作为上层分子刷，以负载抗菌肽(AMP)的聚(2‑乙烯基‑4,4‑二甲基‑2‑恶唑啉‑5‑酮)(PVDMA)作为下层分子刷，上层分子刷与下层分子刷接枝；以角膜塑形镜原材料为基底，将下层分子刷与角膜塑形镜原材料进行接枝。PMAA形成致密水化层使材料表面抵抗蛋白质黏附并在生理条件下有生物相容性；细菌在表面定植引起环境pH值降低，最外层的PMAA链坍塌，NBA捕获细菌并暴露出内层的AMP杀死细菌。细菌消除后环境pH值升高，PMAA层恢复其亲水性和抗蛋白黏附功能，赋予材料杀菌、抗蛋白黏附性质。
Description
技术领域
本发明涉及角膜塑形镜原材料表面修饰材料，尤其涉及一种角膜塑形镜原材料表面修饰材料及其制备方法。
背景技术
目前，近视已成为世界上最常见的屈光障碍，有关近视的防控手段也层出不穷。其中，角膜塑形镜(又名OK镜)是一种夜间佩戴的，具有反向几何结构的硬性高透氧性角膜接触镜，通过对角膜形态的重塑，达到良好的屈光矫正效果。随着青少年近视率不断攀升，角膜塑形镜的使用愈发广泛，但在临床应用中发现，患者配戴过程中出现并发症较多，其中角膜塑形镜引起的眼部感染最为常见。铜绿假单胞菌和棘阿米巴原虫是引起配戴过程中眼部感染的主要病原体，严重时可形成角膜溃疡影响视力。同时，角膜塑形镜的特殊配戴方式导致了更大的污染风险，由于镜片需要直接与手以及眼部组织接触，若配戴方法不当、清洁护理不到位，极易引起细菌的感染与黏附。其次，角膜表面覆盖着一层薄薄的泪膜，其中含有多种脂质、蛋白质等物质，易形成镜片的蛋白质沉淀，导致镜片透气性、舒适度下降，增加眼部炎症风险，减短其正常使用寿命，影响塑形效果等。
聚合物分子刷为材料表面抗菌修饰的常用构建方法之一，是一种通过共价键连接的单分子纳米材料，具有化学结构可控、形貌可调的特点，在复杂的生理环境中具有良好的稳定性，在纳米医学领域的应用越来越广泛。然而，尽管聚合物分子刷在医学领域具有显著优势，但迄今为止并没有发展出利用聚合物分子刷构建的实用性的，具有抗菌、抗蛋白黏附性质的角膜塑形镜材料。
因此，需要一种角膜塑形镜原材料表面修饰材料及其制备方法。
发明内容
一种角膜塑形镜原材料表面修饰材料，在角膜塑形镜原材料表面构建双层聚合物分子刷进行修饰，所述双层聚合物分子刷以插入氨基苯硼酸(NBA)的pH响应的聚甲基丙烯酸(PMAA)作为上层分子刷，以负载抗菌肽(AMP)的聚(2-乙烯基-4,4-二甲基-2-恶唑啉-5-酮)(PVDMA)作为下层分子刷，上层分子刷与下层分子刷接枝；以角膜塑形镜原材料为基底，将下层分子刷与角膜塑形镜原材料进行接枝。
一种角膜塑形镜原材料表面修饰材料的制备方法，步骤包括，
步骤I、将NBA插入MMA
在乙腈溶液中，加入摩尔比为1～20：1的MAA(PMAA的单体溶液)、NBA，完成MAA羧基的活化并与NBA的氨基连接，所得产物旋蒸至粘稠、半流动状后加入乙醇溶解，并加入MAA，控制MAA与MAA-NBA摩尔比为1～50：1；
步骤II、配置ITX/VDMA/AMP溶液
分别配制2-异丙基硫杂蒽酮(ITX)溶液、2-乙烯基-4,4-二甲基-2-恶唑啉-5-酮(VDMA)溶液和AMP的溶液，2-异丙基硫杂蒽酮(ITX)溶液、2-乙烯基-4,4-二甲基-2-恶唑啉-5-酮(VDMA)的溶液溶质质量分数均为2％～30％，AMP溶液质量浓度为1～100mg/mL；
步骤III、涂覆ITX
将ITX溶液均匀覆盖在角膜塑形镜原材料表面，在紫外光下照射，然后清洗并干燥，得到OK-ITX；
步骤IV、将VDMA与角膜塑形镜原材料接枝
在OK-ITX表面滴加VDMA溶液，使其铺展均匀，在紫外光下照射后清洗并干燥样品，获得OK-PVDMA；
步骤V、将MAA-NBA与PVDMA接枝
在OK-PVDMA表面滴加MAA-NBA溶液，使其铺展均匀，在紫外光下照射后清洗并干燥样品，得到OK-PVDMA-PMAA-NBA；
步骤VI、将AMP插入PVDMA
将OK-PVDMA-PMAA-NBA浸泡在AMP的溶液4-24h，然后清洗并干燥样品，得到具有杀菌、抗蛋白黏附效果的角膜塑形镜材料，记为OK-PVDMA-PMAA-NBA-AMP。
进一步地，步骤III、IV中，样品紫外光照时间为1～20min。
进一步地，步骤I中所述的MAA羧基活化及与NBA结合的操作步骤包括：在乙腈中加入MAA及1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺(EDC)，超声溶解后置于摇床反应2～4h，随后加入NBA，继续反应12～24h。
进一步地，步骤III、IV中所述清洗操作步骤为：采用无水乙醇、甲醇、超纯水冲洗，将未反应或反应不稳定的单体脱除，得到均匀且稳定的OK-PVDMA-PMAA-NBA材料。
进一步，步骤VI中所述清洗、干燥步骤为：采用I级水清洗2～5次，然后真空干燥或者冷冻干燥。
有益效果
采用本发明所制备的具有杀菌、抗蛋白黏附功能的角膜塑形镜原材料表面修饰材料具有以下突出的有益效果：
1、本技术方案中，双层聚合物分子刷的设计使外层的抗蛋白黏附功能与内层的杀菌功能互不干扰，与传统抗-杀结合聚合物表面相比具有长效的抗菌性能。
2、本技术方案中，所设计的分子刷具有pH响应性。当环境中出现细菌时，细菌产生的酸性物质导致局部pH值降低，外层PMAA链坍塌，NBA捕获细菌至材料表面并暴露出AMP杀死细菌；随着局部pH升高，PMAA层恢复其亲水性，将杀死的细菌有效脱附，并在没有细菌存在的条件下行使其抗蛋白黏附的功能。与传统的单层聚合物表面相比，这种智能响应型的双层分子刷可根据实际情况调控其自身行为，而不需要额外的人为辅助。
3、本技术方案中，外层为PMAA超亲水层，其形成的致密水化层可有效防止蛋白质的黏附。同时，插入的NBA可选择性捕获绿脓杆菌等有害致病菌，而对眼表常驻细菌(如金黄色葡萄球菌)危害较小，可有效地保护眼部正常菌群。
4、传统的单层抗菌结构往往存在一定的细胞毒性，而本技术方案中，PMAA能够有效的隔离内层的杀菌物质AMP，使得分子刷表面具有良好的生物相容性；同时也避免了AMP的损耗，因此在该种角膜塑形镜材料的使用过程中无需再次加入其他杀菌物质。
附图说明
图1为本发明OK-PVDMA-PMAA-NBA-AMP结构示意图；
图2为本发明实施例OK-PVDMA-PMAA-NBA-AMP的FTIR图；
图3(a)为OK样品的抗蛋白黏附性能测试示意图，(b)为OK-PVDMA-PMAA-NBA-AMP抗蛋白黏附性能测试示意图；
图4(a)为OK样品体外细菌捕获实验中绿脓杆菌的代表性CLSM照片，(b)为OK-PVDMA-PMAA样品体外细菌捕获实验中绿脓杆菌的代表性CLSM照片，(c)为OK-PVDMA-PMAA-NBA样品体外细菌捕获实验中绿脓杆菌的代表性CLSM照片；
图5(a)为OK样品体外抗菌实验中绿脓杆菌的代表性CLSM照片，(b)为OK-PVDMA-PMAA-NBA-AMP样品体外抗菌实验中绿脓杆菌的代表性CLSM照片，(c)、(d)分别为OK、OK-PVDMA-PMAA-NBA-AMP样品表面活、死细菌占比统计图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
实施例1OK-PVDMA-PMAA-NBA-AMP的制备
1)在乙腈溶液中，加入适量EDC、MAA，二者摩尔比为1：1，反应2h，完成MAA羧基的活化；加入适量NBA(NBA与MAA摩尔比为1：1)，反应24h，将NBA的氨基与MAA的羧基相连接，所得产物旋蒸至粘稠、半流动状后加入乙醇溶解，并加入适量MAA，控制MAA与MAA-NBA摩尔比为3：1；
2)将角膜塑形镜样品等离子体清洗5min，配制ITX乙醇溶液、VDMA乙醇溶液，质量分数均为10％。
3)吸取适量ITX乙醇溶液滴加于角膜塑形镜表面，覆盖石英玻璃使液面铺展均匀，紫外光下照射20min，随后使用无水乙醇清洗样品两遍并干燥，得到OK-ITX。
4)吸取适量VDMA乙醇溶液滴加于OK-ITX表面，覆盖石英玻璃使液面铺展均匀，紫外光下照射10min，随后使用无水乙醇清洗样品两遍并干燥，得到OK-PVDMA。
5)吸取适量MAA-NBA乙醇溶液滴加于OK-PVDMA表面，覆盖石英玻璃使液面铺展均匀，紫外光下照射10min，随后使用无水乙醇清洗样品两遍并干燥，得到OK-PVDMA-PMAA-NBA。
6)配制质量浓度为1mg/mL的AMP PBS溶液，将OK-PVDMA-PMAA-NBA样品浸泡于AMPPBS溶液中反应24h，随后使用超纯水清洗样品两遍并干燥，得到OK-PVDMA-PMAA-NBA-AMP。
如图2FTIR结果所示，OK-PVDMA-PMAA-NBA-AMP样品分别在1670cm-1处和1821cm-1处出现其C＝N、C＝O特征峰，表明VDMA单体成功接枝到OK镜表面；在2400～3500cm-1处出现O-H特征峰，表明MAA单体成功接枝到OK镜表面。
实施例2OK-PVDMA-PMAA-NBA-AMP抗蛋白黏附性能测试
为了研究不同样品的抗蛋白黏附性能，分别测试OK、OK-PVDMA-PMAA-NBA-AMP与蛋白共同孵育时表面黏附面积大小。将样品浸泡于等量的牛血清白蛋白(BSA)中，浓度为50μg/mL，37℃环境下避光孵育2h。如图3所示，与OK镜原膜相比，OK-PVDMA-PMAA-NBA-AMP样品表面未发现蛋白所显示的荧光存在，样品抗蛋白黏附效果显著。
实施例3氨基苯硼酸(NBA)捕菌功能测试
选用革兰氏阴性菌绿脓杆菌作为典型试验细菌。细菌菌株在37℃的条件下在液体培养基中生长12h，然后通过离心(3000rpm，6min)收集细菌，并用磷酸缓冲盐溶液洗涤三次。将得到的细菌重新分散于磷酸缓冲盐溶液中，并通过酶标仪调节细菌浓度，得到108CFU·mL-1的细菌菌液。
在抗菌实验之前，对所有实验用品、样品(OK、OK-PVDMA-PMAA、OK-PVDMA-PMAA-NBA)进行灭菌处理。将样品分别浸入等量的菌液中，37℃下培养6h后，吸走菌液并使用磷酸缓冲盐溶液和超纯水清洗样品，随后对样品进行细菌染色。避光条件下，将Alexa Fluor染色剂滴加于样品表面，使其铺展均匀，孵育15min后使用磷酸缓冲盐溶液和超纯水清洗，冷冻干燥，通过激光扫描共聚焦显微镜(CLSM)观察样品表面细菌黏附数量。
如图4所示，与OK镜原膜相比，OK-PVDMA-PMAA表面未发现细菌黏附，这是由于细菌的黏附行为多依赖于某些蛋白质，因此PMAA形成的致密水化层在防止蛋白质黏附的同时也能防止细菌的黏附；而OK-PVDMA-PMAA-NBA表面细菌黏附数量明显增多，表明NBA可有效捕获绿脓杆菌。
实施例4抗菌肽(AMP)杀菌功能测试
选用革兰氏阴性菌绿脓杆菌作为典型试验细菌。细菌菌株在37℃的条件下在液体培养基中生长12h，然后通过离心(3000rpm，6min)收集细菌，并用磷酸缓冲盐溶液洗涤三次。将得到的细菌重新分散于磷酸缓冲盐溶液中，并通过酶标仪调节细菌浓度，得到108CFU·mL-1的细菌菌液。
在抗菌实验之前，对所有实验用品、样品(OK、OK-PVDMA-PMAA-NBA-AMP)进行灭菌处理。将样品分别浸入等量的菌液中，37℃下培养6h后，吸走菌液并使用磷酸缓冲盐溶液和超纯水清洗样品，随后对样品进行细菌染色。避光条件下，将Alexa Fluor染色剂滴加于样品表面，使其铺展均匀，孵育15min后使用磷酸缓冲盐溶液和超纯水清洗，冷冻干燥，通过激光扫描共聚焦显微镜(CLSM)观察样品表面细菌粘附面积。
如图5所示，OK镜原膜表面仅存在活细菌，而OK-PVDMA-PMAA-NBA-AMP样品表面出现大量代表死亡细菌，死亡细菌占比高达76.5％，表明AMP可有效杀死绿脓杆菌。
根据上述实施例2、实施例3的检测结果分析可知，与OK镜原膜相比，PMAA抗蛋白黏附的效果显著，且NBA可有效捕获绿脓杆菌，二者相组合即可同时发挥上述两种作用。根据实施例4的检测结果分析可知，抗菌肽(AMP)对试验细菌—绿脓杆菌的杀菌效果显著、具有实用性。
具体来说，在本技术方案中，超亲水性的PMAA所形成的致密水化层可有效的防止蛋白质的黏附，解决了角膜塑形镜佩戴过程中的一大难题，延长了角膜塑形镜的使用寿命，具有较高的实用价值。双层分子刷的构建使材料表面摆脱了抗、杀两种功能的相互干扰，避免了AMP的消耗，大大提高了AMP的利用率，因此，该种镜片具有长效的抗菌性能，使用过程中无需再次加入其他杀菌物质。同时，智能响应型的PMAA外层，在保证杀菌与抗蛋白黏附两种功能按需转换的同时，又隔离了内层具有细胞毒性的杀菌物质，避免其与细胞直接接触，赋予了材料表面良好的生物相容性。此外，外层所插入的NBA可选择性捕获绿脓杆菌等有害细菌，而对金黄色葡萄球菌等眼表正常菌群并不敏感，因此不会扰乱眼部生态环境。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (5)
1.一种角膜塑形镜原材料表面修饰材料，其特征在于，在角膜塑形镜原材料表面构建双层聚合物分子刷进行修饰，所述双层聚合物分子刷以插入氨基苯硼酸(NBA)的pH响应的聚甲基丙烯酸(PMAA)作为上层分子刷，以负载抗菌肽(AMP)的聚(2-乙烯基-4,4-二甲基-2-恶唑啉-5-酮)(PVDMA)作为下层分子刷，上层分子刷与下层分子刷接枝；
以角膜塑形镜原材料为基底，将下层分子刷与角膜塑形镜原材料进行接枝。
2.根据权利要求1所述的一种角膜塑形镜原材料表面修饰材料的制备方法，其特征在于，步骤包括：
步骤I、将NBA插入MMA
在乙腈溶液中，加入摩尔比为1～20：1的MAA(PMAA的单体溶液)、NBA，完成MAA羧基的活化并与NBA的氨基连接，所得产物旋蒸至粘稠、半流动状后加入乙醇溶解，并加入MAA，控制MAA与MAA-NBA摩尔比为1～50：1，得到MAA-NBA溶液；
步骤II、配置ITX/VDMA/AMP溶液
分别配制2-异丙基硫杂蒽酮(ITX)溶液、2-乙烯基-4,4-二甲基-2-恶唑啉-5-酮(VDMA)溶液和AMP的溶液，2-异丙基硫杂蒽酮(ITX)溶液、2-乙烯基-4,4-二甲基-2-恶唑啉-5-酮(VDMA)的溶液溶质质量分数均为2％～30％，AMP溶液质量浓度为1～100mg/mL；
步骤III、涂覆ITX
将ITX溶液均匀覆盖在角膜塑形镜原材料表面，在紫外光下照射，然后清洗并干燥，得到OK-ITX；
步骤IV、将VDMA与角膜塑形镜原材料接枝
在OK-ITX样品表面滴加VDMA溶液，使其铺展均匀，在紫外光下照射后清洗并干燥样品，获得OK-PVDMA；
步骤V、将MAA-NBA与PVDMA接枝
在OK-PVDMA表面滴加MAA-NBA溶液，使其铺展均匀，在紫外光下照射后清洗并干燥样品，得到OK-PVDMA-PMAA-NBA；
步骤VI、将AMP插入PVDMA
将OK-PVDMA-PMAA-NBA浸泡在AMP的溶液4-24h，然后清洗并干燥样品，得到具有杀菌、抗蛋白黏附效果的角膜塑形镜材料，记为OK-PVDMA-PMAA-NBA-AMP。
3.如权利要求2所述的具有杀菌、抗蛋白黏附效果的角膜塑形镜表面修饰材料的制备方法，其特征在于，步骤III、IV中，样品紫外光照时间为1～20min。
4.如权利要求2所述的角膜塑形镜原材料表面修饰材料的制备方法，其特征在于，步骤III、IV中所述清洗操作步骤为：采用无水乙醇、甲醇或超纯水冲洗，将未反应或反应不稳定的单体脱除，得到均匀且稳定的OK-PVDMA-PMAA-NBA材料。
5.如权利要求2所述的角膜塑形镜原材料表面修饰材料的制备方法，其特征在于，步骤VI中所述清洗、干燥步骤为：采用I级水清洗2～5次，然后真空干燥或者冷冻干燥。
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| CN117338956A (zh) * | 2023-11-08 | 2024-01-05 | 山东第一医科大学附属眼科医院(山东省眼科医院) | 一种用于治疗铜绿假单胞菌性角膜炎的级联免疫调控纳米药物及其制备方法和应用 |
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| CN117338956A (zh) * | 2023-11-08 | 2024-01-05 | 山东第一医科大学附属眼科医院(山东省眼科医院) | 一种用于治疗铜绿假单胞菌性角膜炎的级联免疫调控纳米药物及其制备方法和应用 |
| CN117338956B (zh) * | 2023-11-08 | 2024-03-05 | 山东第一医科大学附属眼科医院(山东省眼科医院) | 一种用于治疗铜绿假单胞菌性角膜炎的级联免疫调控纳米药物及其制备方法和应用 |
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