一种具有长效抗细菌粘附的气管导管及其制备方法

摘要

本发明提供了一种具有长效抗细菌粘附的气管导管及其制备方法，采用表面化学自组装的方法对医用PVC气管导管进行表面修饰，通过PVC气管导管表面改性、抗菌溶胶的合成、基材表面与抗菌液的表面化学反应等步骤，使光催化抗菌成分均匀、牢固地负载在气管导管表面形成薄膜，表面改性后的气管导管具有良好的抗细菌粘附性能和可见光诱导灭菌性能，抗菌效果持久，化学稳定性高。

说明书

技术领域

本发明属于医疗高分子材料领域，具体涉及一种具有长效抗细菌粘附的气管导管及其制备方法。

背景技术

生物医用材料是材料科学的重要分支，其在人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、治疗疾患等许多方面已经被广泛应用。这些材料的医学应用极大促进医学治疗水平飞速提升，但同时也为细菌入侵宿主提供了机会。据报道，生物材料引起感染（Biomaterial centered infections，BCI）的病例近年来逐年上升，研究生物材料表面细菌的粘附作用本质，发展新型抗菌生物材料越来越引起人们的高度关注。

在众多的生物材料中，PVC塑料气体导管常常被用作危重病人抢救的呼吸通道。由这种导管引起的呼吸机相关肺炎(ventilator associated pneumonia，VAP)被医学界认为是重症监护病房内患者因非本征疾病致死的一大病症。据统计，呼吸机相关感染发生率为18 %～60 %，病死率超过50 %，而且在临床上发现有80%的机械通气患者有不同程度的通气感染，对于那些气管切开需长期置入PVC气管套管的患者，细菌感染常常难以避免。一般认为，这种感染的主要起因是生物材料作为异物能为游离细菌提供粘附的位点，粘附在这些位点的细菌会快速繁殖直至形成细菌生物膜（Bacterial Biofilm, BF）。由于BF中的细菌在形态结构、理化特性、抗生素抗性及对抗机体免疫防御等方面与普通浮游生长的细菌有显著的不同，一旦生物膜形成，基于抗生药物的内科治疗就变得相当困难。第一，BF藻酸盐层有屏障保护作用，使抗菌药物难以穿透其被膜作用于内层，停用抗菌药物后，存活的内层细菌会游离释放出来继续繁殖；第二，处在BF结构中不同位置的细菌有着不同的生理状态和代谢状态，大多数抗菌药物不能杀灭休眠菌，所以总有一部分细菌得以存活；第三，细菌藻酸盐层能阻断中性粒细胞的钙通道，使之无法表达与趋化性有关的受体，导致中性粒细胞的趋化性减弱，吞噬作用减弱，细菌可逃逸机体而免疫攻击。第四，BF一旦形成，细菌便有足够的时间来开启耐药基因，内酰胺酶的产量将显著高于浮游菌，这将会减低进入膜内抗菌药物的含量。这些因素使PVC气管导管表面的BF成为BCI致病菌重要持续的来源，导致BCI在临床上难以用药物有效治疗。因此，解决导管引起的呼吸机相关感染是医学界关注的一个重要研究课题，从PVC气体导管材料表面修饰着手，从源头上抑制细菌的粘附进而控制细菌生物膜（BF）的形成是预防VAP的最根本途径。

在生物材料感染的发生和发展过程中，生物材料、细菌、宿主三大因素相互联系，而引起感染的始发环节是细菌在生物材料表面的粘附。众所周知，粘附是一个表面物理化学现象，而其作用本质是基质表面与底物分子之间的相互作用，只不过细菌粘附是活性生物表层与人体组织、生物材料表面的分子间作用。细菌表层存在菌毛、肽聚糖、有粘附功能的荚膜、细胞外粘质物、脂壁酸等粘附素，这些粘附素上的分子基团与生物材料表面的基团会发生特异性结合。因此，细菌粘附与细菌的结构及生物材料表面的组成和性质密切相关。材料的表面性质以表面化学、表面物理和界面等三个主要性质为特征。表面化学性质与特定分子基团的组成、结构和表面电荷性质有关，其生物相容性直接影响细菌在其表面的粘附和滋生。而表面粗糙度和表面能等表面物理性质也会严重影响细菌等微生物在材料上的附着力。原理上，高能界面表面有利于细胞的粘附与铺展，粗糙表面结构有利于细胞的粘附和生物膜的迅速生长。界面性质包括表面的亲、疏水性，亲水的表面会使憎水性细菌难以在表面粘附和寄宿。研究表明，调变生物材料的表面性能能够抑制细菌在其上的粘附，从而可阻断生物被膜的形成并有效解决BCI症。

近年来以TiO₂为代表的半导体光催化材料在抗菌领域的应用，为气体导管表面抗菌处理开辟了可以借鉴的思路。大量文献报道表明，TiO₂作为纳米薄膜可以很好地附着在陶瓷、玻璃、金属等各种材料表面，在光激发后表现出催化氧化性能和超亲水性，这已经被成功地应用于空气净化，水中污染物的降解消除以及杀菌，自清洁和超亲水性涂层材料的制造。利用半导体光催化膜进行生物材料的改性也引起人们的关注，很多研究者开展了相关探索。我们的前期研究发现，把TiO₂光催化剂涂覆在PVC气管导管表面，可以大大降低大肠杆菌的表面粘附率，且光照1.5h可将其全部杀灭。更有意思的是，发现经TiO₂纳米粒子改性后的表面当光照6 h后停止光照，48 h内细菌在材料表面粘附和生长处于抑制状态。这一点对实际应用尤为重要。这些进展意味着，利用光活泼的半导体材料改性修饰生物材料表面可能是解决气体导管VAP症的一条有效途径。但是，这种半导体材料必须满足如下的要求：(1) 无毒性且具有良好的生物相容性；（2）物理化学稳定性高，能稳定涂覆在导管表面，保证持续发挥作用；（3）含有高亲水性表面基团，能有效抑制细菌在表面粘附和寄宿；（4）不仅在光照下具有良好的光催化抗菌活性，而且能保证光活化后有记忆效应，形成活性表面，即使在取消光照后还能较长时间破坏细菌的粘附效果。在上述要求中，第四点尤为重要，避免PVC导管在实际使用过程中连续光照对实际应用更为方便。如何获得符合这些条件的半导体光催化材料，是实现光催化技术在医疗上应用的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有长效抗细菌粘附的气管导管及其制备方法，采用表面化学自组装的方法在PVC气管导管表面修饰一层致密、均匀、透明的光催化薄膜，在不改变气管导管原有的物理形态下，适合医疗使用；表面改性后的气管导管具有良好的抗细菌粘附性能和可见光诱导灭菌性能，抗菌效果持久，化学稳定性高。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

以含碘的纳米半导体光催化溶胶为改性剂，采用表面化学自组装的方法对医用气管导管表面进行改性，制得具有长效抗细菌粘附的气管导管。

制备方法包括以下步骤：

（1）PVC气管导管表面改性

将PVC气管导管用无水乙醇洗涤、烘干后，在导管表面负载一层富含表面羟基基团的有机高分子；

（2）抗菌溶胶的合成

将纳米级溶胶与含碘的化合物溶液混合均匀，进行溶胶结晶化处理，制得含碘的结晶态复合半导体氧化物溶胶；

（3）表面改性后的PVC气管导管与抗菌溶胶的表面化学反应

将表面改性后的PVC气管导管浸渍在抗菌溶胶中，恒温下进行自组装反应，制得含碘半导体氧化物改性的PVC气管导管。

所述富含表面羟基基团的有机高分子包括聚乙烯醇、聚丙烯醇和聚乙二醇。

所述含碘的化合物为高碘酸钾、碘化氢、碘化钾、单质碘中的一种或多种。

所述纳米级溶胶为Ti（OH）₄、Zn（OH）₂、Al（OH）₃中的一种或两种。

所述纳米级溶胶的粒径为10~60 nm。

所述纳米级溶胶的固体质量密度为2-3g/100mL。

所述溶胶结晶化处理是将纳米级溶胶与含碘的化合物溶液的混合物在高压反应釜中120～180℃条件下密闭热处理2～30小时。

所述含碘的结晶态复合半导体氧化物溶胶中碘含量为0.2-5 wt.%。

所述自组装反应为室温-50℃条件下表面改性后的PVC气管导管的表面羟基与溶胶的羟基进行缩合，促使含碘的结晶态复合半导体氧化物牢固负载在PVC气管导管表面上。

本发明的显著优点在于：本发明采用表面化学自组装的方法对医用PVC气管导管进行表面修饰，通过PVC气管导管表面改性、抗菌溶胶的合成、基材表面与抗菌液的表面化学反应等步骤，使光催化抗菌成分均匀、牢固地负载在气管导管表面形成薄膜，表面改性后的气管导管具有良好的抗细菌粘附性能和可见光诱导灭菌性能，抗菌效果持久，化学稳定性高。

具体实施方式

本发明包括PVC气管导管表面的表面改性和含碘光催化抗菌溶胶的制备。具体实施方案如下：

一、PVC气管导管表面的表面改性

PVC气管导管表面的表面改性包括两个部分，第一部分是气管导管表面羟基化改性，第二部分是气管导管表面的形成光催化抗菌膜的改性。

（1）导管表面羟基化改性首先将PVC气管导管在无水乙醇溶液中超声洗涤，在60-80℃恒温下烘干，然后通过浸渍提拉或喷涂法将不同浓度的富含表面羟基基团的有机高分子溶液涂覆在气管导管表面，然后在60-80℃恒温下烘干获得表面含羟基的气管导管。其中有机高分子主要为聚乙烯醇、聚丙烯醇、聚乙二醇，有机高分子溶解在热水中，浓度控制在1-100g/L。

（2）将表面羟基化后的气管导管浸泡在含碘抗菌溶胶中，保持抗菌溶胶的温度为室温-50℃，浸泡时间为1-6天，最后用去离子水多次超声波洗涤，可获得表面均匀、透明的负载含碘半导体光催化抗菌膜的PVC气管导管。

二、含碘光催化抗菌溶胶的制备

首先采用传统的溶胶-凝胶法制备得到Ti（OH）₄、Zn（OH）₂、Al（OH）₃溶胶，然后在把这些溶胶和碘的化合物溶液混合均匀，然后将这些混合液放置在一个带有聚四氟内衬的不锈钢高压反应釜中和在一定温度下进行密闭热处理，处理时间为12-48h。制得含有不同形式碘的半导体复合氧化物抗菌溶胶。

实施例1 含碘Ti（OH）₄溶胶的制备

采用钛酸四丁酯为原料，把钛酸四丁酯的乙醇溶液滴加到酸性条件的水溶液中，于室温下剧烈搅拌24-36 h后获得淡蓝色Ti（OH）₄溶胶，溶胶的粒径分布为20-40 nm。而后，量取1ml浓度为1M高碘酸钾的水溶液在搅拌下缓慢滴加到Ti（OH）₄溶胶中，然后在高压反应釜热处理温度为120～180℃下处理12～30 h，制得含碘的Ti（OH）₄溶胶抗菌溶胶，记为I/Ti(OH)₄。

实施例2 含碘Ti（OH）₄-Al(OH)₃溶胶的制备

首先，称取0.05mol的Al（NO）₃溶解到100 ml去离子水中，在40℃强烈搅拌下慢慢滴加氨水至pH=8~9，再恒温搅拌3 h，制得Al（OH）₃溶胶。而后，取10ml Al（OH）₃溶胶在强烈搅拌下慢慢滴加到100ml Ti（OH）₄溶胶，搅拌均匀后，按实施例1，将碘溶液与复合溶胶混合，制得含碘Ti（OH）₄-Al(OH)₃混合溶胶，记为I/ Ti（OH）₄-Al(OH)₃。

实施例3 气管导管表面与含碘Ti（OH）₄-抗菌溶胶的表面化学反应

截取长度为8cm的医用气管导管，将其浸泡在按实施例1制备的I/Ti(OH)₄溶胶中，在室温下放置1-6天，然后取出在去离子水里超声波清洗数次，即可获得表面均匀、透明的负载含碘半导体光催化抗菌膜的PVC气管导管。

实施例4 气管导管表面与含碘Ti（OH）₄-Al(OH)₃溶胶抗菌溶胶的表面化学反应

具体制备方法与本部分实例3基本相同，不同之处在于将抗菌溶胶I/Ti(OH)₄改为I/ Ti（OH）₄-Al(OH)₃

实施例5 改性后的气管导管表面抗细菌粘附性能测试

截取3ml长的PVC气管导管，同时，以没有镀膜的气管导管样品为空白样品。抗细菌粘附性能按以下步骤进行：将样品置于大肠杆菌菌液中，在37 ℃恒温振荡箱培养48 h，取出样品，用无菌PBS（磷酸盐缓冲液，pH=7.2～7.4）冲洗9次，除去假黏附细菌，接着将样品放入无菌试管中，加10 mL生理盐水，超声洗脱5 min，最后取0.1 mL涂布于琼脂平板上培养24 h。用菌落平板计数法计取菌落数目，即样品表面的细菌黏附数。最后，样品的抗细菌黏附性能用细菌黏附率表示：

细菌黏附率＝样品细菌黏附数 / 空白样品表面细菌黏附数×100 %。

表1 PVC气管导管改性前后的表面细菌黏附率

与空白PVC片相比，含碘抗菌溶胶改性的样品表现出明显的抗黏附性能，对于阻碍生物膜的形成具有很大优势。

实施例6 改性后的气管导管表面可见光光催化灭菌性能测试

样品的光诱导杀菌性能测试按下述步骤进行：首先，将气管导管沿纵面剪开制成5 cm × 3 cm的平面状样品，而后将样片置于20 mL（10⁸ cfu/mL）的大肠杆菌菌悬液中，接着开启可见光灯(主波长420 nm)，从侧面方照射120 min，然后取0.1 mL涂布于琼脂平板上培养48 h。用菌落平板计数法计取菌落数目（光照后菌落数）。同样，以没有镀膜的气管导管样品作为空白样片按同样条件作对照实验。用菌落平板计数法计取菌落数目（光照后菌落数）样品的杀菌性能以细菌存活率表示。其计算表达式为：

细菌存活率＝光照后菌落数 / 初始时刻菌落数×100％

为了考察样品持续抗菌效果，在停止光照48h后，重新取0.1 mL涂布于琼脂平板上培养48 h。同样用菌落平板计数法计取菌落数目（光照后菌落数）样品的杀菌性能以细菌存活率表示。其计算表达式为：

细菌存活率＝停止光照48h后菌落数 / 初始时刻菌落数×100％。

表2 PVC气管导管改性前后的表面光照120min后细菌存活率

表3 PVC气管导管改性前后的表面停止光照48h后细菌存活率

表2结果显示，含碘抗菌溶胶改性的气管导管样品，在可见光激发2h后其表面的大肠杆菌存活率明显低于空白样品；表3结果说明，在停止光照后，碘抗菌溶胶改性的气管导管样品的抑菌效果大大高于空白样品，说明改性后的样品具有较好的持久抗菌效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。