基于大分子自组装构建刺激响应性载药抗菌涂层

发布时间：2020-04-27 16:55

【摘要】：金属植入材料表面极易粘附细菌,形成生物膜,造成细菌感染,引发炎症、发热、疼痛等一系列并发症;对金属植入材料进行表面改性,制备抗菌涂层是解决细菌感染问题的有效方法。抗菌涂层可分为接触型和缓释型,接触型抗菌涂层主要通过与细菌表面接触发生作用,杀死细菌,但其杀菌后表面易残留大量死细菌,导致后续细菌粘附、细菌膜形成,造成炎症、疼痛、发热等并发症;缓释型抗菌涂层则通过缓慢释放涂层中抗菌剂实现杀菌,但抗菌剂的释放速度、释放量不受控制,影响涂层长效、按需抗菌性能。刺激响应性聚合物是一类可响应外界微小变化,实现较大物理或化学变化的功能性聚合物,基于刺激响应性聚合物所制备的胶体粒子可响应温度、pH、光、还原剂等刺激,改变自身结构、亲疏水性,因此,在药物负载、控释领域有较好的应用前景。其中氧化还原响应性胶体粒子可响应体内谷胱甘肽(GSH),实现药物的负载和可控释放,广泛应用于药物负载领域。基于以上背景,本文以氧化还原响应性载药胶体粒子为基元,通过外电场诱导在金属植入材料表面二次组装,构建响应性释药涂层,改善抗菌涂层存在的问题。具体研究内容如下:1.具有响应性释药功能的接触型抗菌涂层制备及性能通过自由基聚合制备了具有氧化还原响应性的无规共聚物聚{1-溴十二烷基甲基丙烯酸二甲氨基乙酯季铵盐-co-N-[2-(吡啶-2-二硫烷基)-乙基]-丙烯酰胺-co-甲基丙烯酸甲酯}(PPDM),采用红外光谱图(FTIR)和氢核磁谱图(~1H-NMR)对聚合物的结构进行表征;然后通过选择性溶剂法制备得到负载治疗性药物扑热息痛(PCTM)的PPDM载药胶体粒子,通过Zeta电位及纳米粒度仪、透射电子显微镜(TEM)、紫外可见光分光光度计(UV-vis)对载药胶体粒子的粒径、形貌和载药率等进行表征;最后,通过外电场诱导载药胶体粒子在316L不锈钢表面二次组装,构建了具有响应性释药功能的接触型抗菌涂层,探讨外电场强度、时间对涂层形貌与结构的影响,通过FTIR、扫描电子显微镜(SEM)等对涂层的物化性能进行了表征,并通过释药实验、抗菌实验、体外细胞实验等对涂层的响应性释药性能、抗菌性能、细胞毒性等进行了测试。研究结果表明:改变共聚物单体比例可制备三种亲疏水性不同的共聚物PPDM-1、PPDM-2和PPDM-3,PPDM-1亲水性较强,不能形成载药胶体粒子,而PPDM-2和PPDM-3可自组装形成载药胶体粒子,粒径分别为140 nm和179 nm,对PCTM的负载率均在30%左右;电泳沉积制备涂层最佳条件为沉积电压15 V、沉积时间3 min,所制备涂层具有较低的细胞毒性,涂层可通过季铵阳离子与细菌细胞膜作用,杀死细菌,具有较好的接触杀菌性能,同时,还原性谷胱甘肽(GSH)作用于载药涂层,可实现对具有解热、止痛作用的治疗性药物PCTM的响应性释放。2.氧化还原响应性释药型抗菌涂层的制备及性能以具有氧化还原响应性的小分子2-吡啶基二硫基乙基胺盐酸盐(PDA)和多巴胺(DA)对天然聚多肽γ-聚谷氨酸(γ-PGA)进行改性,得到γ-PGA-PDA和γ-PGA-PDA-DA,利用FTIR、~1H-NMR和EDS能谱对改性聚多肽的结构进行了表征;在选择性溶剂中制备得到负载抗菌剂氧氟沙星(Oflo)的载药胶体粒子,利用TEM、UV-vis、Zeta电位及纳米粒度仪等手段对胶体粒子的粒径、形貌、电位、载药性能进行表征;最后,通过外电场诱导载药胶体粒子在316L不锈钢表面二次组装,制备了氧化还原响应性释药型抗菌涂层,考察了涂层的制备条件,并通过释药实验、抑菌圈实验、体外细胞实验对涂层的响应性释药行为、抗菌及细胞毒性进行测试,浸泡实验研究DA对涂层长效稳定性的影响。结果表明:γ-PGA-PDA和γ-PGA-PDA-DA中小分子PDA和DA改性率分别为24%和13.8%,两种改性聚多肽均可自组装形成负载Oflo的载药胶体粒子,负载率最高可达90%,且胶体粒子粒径随Oflo浓度增大而减小;涂层最佳制备条件为沉积电压150 V、沉积时间15 min,所制备的涂层可响应性释放抗菌剂Oflo,实现响应性杀菌,同时涂层可提高316L不锈钢基材的细胞相容性;DA的存在增加了涂层在溶液中的长期稳定性。3.具有接触和响应性释药双重杀菌方式的抗菌涂层的制备及性能第一章所制备的涂层具有较好的接触杀菌性能,同时可实现治疗性药物PCTM的响应性释放,但涂层具有一定的细胞毒性;第二章所制备的涂层可响应性释放抗菌剂Oflo,实现响应性杀菌,但涂层响应性杀菌效果不佳。为改善前两章涂层存在问题,本章首先合成了季铵盐型无规共聚物聚(1-溴十二烷基甲基丙烯酸二甲氨基乙酯季铵盐-co-丙烯酸异冰片酯)(P(ISA-co-DMAC_(12))),利用FTIR和~1H-NMR验证了聚合物的成功制备;以第二章所合成的改性聚多肽γ-PGA-PDA和P(ISA-co-DMAC_(12))为组装基元,通过静电相互作用制备负载抗菌剂Oflo的载药胶体粒子,采用Zeta电位及纳米粒子仪、TEM对胶体粒子的粒径、电位和形貌进行了表征;然后,电诱导载药胶体粒子在316L不锈钢表面二次组装制备了具有接触和响应性释药双重杀菌方式的抗菌涂层,通过FTIR、EDS、SEM和超景深显微镜对涂层化学组成、形貌等进行表征,涂板实验和抑菌圈实验考察了涂层的接触抗菌性能和响应性释药杀菌性能,并利用体外细胞实验对涂层的细胞毒性进行了系统研究。结果表明:共聚物P(ISA-co-DMAC_(12))中两种单体比例为ISA:DMAC_(12)=1:1.2;P(ISA-co-DMAC_(12))和γ-PGA-PDA可通过静电作用复合自组装制备负载Oflo的胶体粒子,改变P(ISA-co-DMAC_(12))浓度制备得到三种载药胶体粒子CP_1、CP_2、CP_5;以上述三种载药胶体粒子为组装基元,外电场强度100 V、时间15 min条件下制备得到三种涂层,三种涂层均可通过接触方式杀菌,也可通过药物Oflo释放实现响应性杀菌,同时CP_1、CP_2所制备涂层提高了316L不锈钢基材的细胞相容性,而CP_5所制备涂层具有一定的细胞毒性。
【图文】：

图 1-1 接触和释放杀菌示意图[19]matic illustration of antibacterial via contact-killing and release-killi菌涂层涂层主要通过涂层表面与细菌表面发生作用杀死细菌目的。目前，可应用此种机理的抗菌化合物主要有季铵饶丹宁衍生物、擕盐类等，这些化合物相对于其他抗菌活性高、抑菌时间长；2、不影响涂层的物理和机械性能

2铵盐化合物在抗菌生物材料中的抗菌illustration of the use of quaternary ammantimicrobial biomedical materials[22].糖均是通过分子中阳离子与荷负养物质等流失，，致使细菌死亡，速度快且结构可控性较强等优点改性等方式与其他单体或大分子抗菌涂层，Zhao 等[24]通过旋涂体甲基丙烯酸甲酯、交联剂乙二
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.4;R318.08

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本文编号：2642445