一种电纺PLLA/Ag抗菌复合膜的制备方法

摘要

本发明公开了一种电纺PLLA/Ag抗菌复合膜的制备方法，在DCM中溶解聚乳酸，然后添加DMF，水浴加热，获得均一的PLLA溶液，然后添加纳米银颗粒，超声10？min，进行静电纺丝；然后，将分析纯钙盐、磷酸盐，依次用蒸馏水溶解，混合后用氨水调节溶液的pH为5.0；将混合溶液作为电解液，以饱和甘汞电极为参比电极，铂金片为对电极，表面带有PLLA/Ag复合纤维的钛箔为工作电极，在三电极系统的电解槽中进行电化学沉积，得到生物医用涂层材料；本发明的优点在于：在不改变基材本身的性能的同时，提高其生物活性和抗菌性，达到快速矿化钙磷盐的目的，防止药效的流失，操作简便，成本低廉。

说明书

技术领域

本发明涉及一种人骨损伤修复的高分子生物材料表面涂层的制备方法，具体地说是一种电纺PLLA/Ag抗菌复合膜的制备方法，属于高分子生物材料表面涂层的制备方法领域。

背景技术

磷酸钙系列陶瓷具有良好的生物相容性和生物活性，已经成功地被应用于临床。尤其是羟基磷灰石(HA)备受关注。在医用高分子材料表面涂覆具有生物活性的磷酸钙陶瓷可赋予硬组织生物材料良好的力学性能和合适的生物性能。近年来得到广泛研究。目前现有提高材料生物活性的矿化方法主要是模拟体液浸泡法。但由于浸泡时间过长，因长时间的浸泡纤维上的活性因子等脱落较多，则模拟体液培养会使纤维药效降低。而电化学沉积方法具有时间短、设备简便、均覆性好、工艺简便、快捷等优点，备受关注。

聚乳酸[poly(L-lactic acid)，PLLA]是目前聚合物基人工骨材料的研究热点之一。PLLA和它的衍生物已经获得了广泛的关注，因为它们具有极好的生物相容性、加工性能和生物降解性，是骨组织工程中最有潜力的生物可降解聚合物。但是由于PLLA和它的衍生物组成的支架具有低的生物活性和不足的机械强度，这限制了它们在骨组织工程中的应用。研究表明，由生物材料引发的感染中，45%的原因是由于植入物材料与人体接触时，在材料表面形成一层蛋白膜，而细菌很容易在这层蛋白膜上黏附，继而生长繁殖，使用传统的抗菌治疗无法根除，在材料表面引入抗菌涂层是近年来常用的方法。目前临床表明开发双功能的复合涂层迫在眉睫，不仅具有骨诱导性还要具有抗菌活性。在种植体表面装载抗生素可提高抗菌医疗植入物的活性。然而，在长期或过度使用抗生素会增加手术风险和产生耐药。银纳米粒子是另一种适合的抗菌剂用于医疗植入物，它具有非常宽泛的抗菌谱和细菌耐药对银是最小，能够杀灭多达数百种致病的细菌以及病毒。

为改善PLLA纤维的抗菌性能，在聚乳酸纤维引入纳米银(Ag)粒子，可赋予骨组织生物材料良好的力学性能和抗菌性能。目前生物材料表面长效抗菌性能的研究已经成为当前研究和开发的热点。近年来，已有采用电化学沉积矿化钙磷盐的报道：是采用恒电压模式下，在纯PLLA纤维表面制备钙磷盐。该方法制备的涂层的不均匀。

发明内容

为了解决上述问题，本发明设计了一种电纺聚乳酸银抗菌复合膜的制备方法，该方法在不改变基材本身的性能的同时，提高其生物活性和抗菌性，达到快速矿化钙磷盐的目的，防止药效的流失。获得具有优良综合性能的新型生物医学材料，且操作简便，成本低廉。

本发明的技术方案为：

一种电纺PLLA/Ag抗菌复合膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)在二氯甲烷（DCM）中溶解聚乳酸（PLLA），然后添加N，N-二甲基甲酰胺（DMF），充分搅拌，水浴加热，获得均一的聚乳酸溶液，然后添加分散均匀的纳米银颗粒，超声10 min，进行静电纺丝，得到表面带有PLLA/Ag复合纤维的钛箔；

其中，纳米银颗粒与聚乳酸添加量重量比为0.07-0.007︰1。

其中，静电纺丝的参数为规格6号针头、20 mL的注射器，将钛箔收集器，尺寸20 mm×20 mm×0.2 mm，固定在距离针头15 cm处，使用电压为18 kV，流速为3 mL/h。

(2)将分析纯钙盐、磷酸盐的比例按照n_Ca: n_P=1.67配置(其中钙的浓度不能超过42 mmol·L^-1)，依次用蒸馏水溶解，混合后用氨水调节溶液的pH为5.0，得到磷酸钙溶液；将上述调节pH值的混合溶液作为电解液，以饱和甘汞电极为参比电极，铂金片为对电极，通过步骤(1)得到的表面带有PLLA/Ag复合纤维的钛箔为工作电极，在三电极系统的电解槽中进行电化学沉积，得到本发明生物医用涂层材料；

其中，电化学沉积参数为：脉冲高电位0 V，脉冲低电位-3 V，脉宽100 s，沉积时间60 min；

最后，将步骤(2)得到的生物医用涂层材料在真空条件下干燥72 h后，保存在37℃的恒温干燥箱中。

进一步地，所述的二氯甲烷与聚乳酸的重量比为4︰1。

进一步地，所述的N，N-二甲基甲酰胺与聚乳酸的重量比为2︰1。

本发明的磷酸钙是通过磷酸盐和钙盐合成的，得到的磷酸钙系列陶瓷具有良好的生物相容性和生物活性，可被成功地被应用于临床。所述磷酸盐至少可以以下物质之一种：(NH4)₂HPO₄, K₂HPO₄, Na₂HPO₄；所述钙盐至少可为以下物质之一种：CaCl₂, Ca(NO₃)₂。

表面带有PLLA/Ag复合纤维的钛箔中的钛箔为纯钛、钛合金(Ti6Al4V)、不锈钢或铝箔。

另外，本发明中还有使用铜、锌来替代前面的银，均为能够产生抗菌金属单质的金属盐，效果相同，都具有杀菌的特性，可以为银盐、铜盐、锌盐，也可以是银、铜、锌单质。

本发明采用电化学沉积法快速形成钙磷盐涂层。

本发明由于整个电化学沉积过程是采用脉冲电位，有利于电解液中钙磷盐的均匀沉积。另外，工作电极表面是PLLA/Ag复合纤维，在PLLA中添加金属银提高其导电性，也有利于钙磷盐的快速、均匀沉积，无团聚现象，最终得到均匀钙磷盐涂层。

本发明以PLLA、Ag为原料经电纺制得纤维直径均匀的PLLA/Ag抗菌复合纤维。以含钙离子、磷离子为培养液经电化学沉积法在PLLA/Ag复合纤维表面沉积钙磷盐涂层，从而得到PLLA/Ag表面快速、高效的钙磷盐矿化率。

本发明的优点在于：能够得到均匀钙磷盐涂层，该方法在不改变基材本身的性能的同时，提高其生物活性和抗菌性，达到快速矿化钙磷盐的目的，防止药效的流失，获得具有优良综合性能的新型生物医学材料，且操作简便，成本低廉。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明实验例PLLA/Ag抗菌复合纤维的SEM图；

图2为本发明实验例电化学沉积法在PLLA/Ag抗菌复合纤维表面矿化钙磷盐涂层的矿化率随时间变化图。

具体实施方式

以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

除非另有说明，本发明中所采用的百分数均为重量百分数。

实施例一

一种电纺PLLA/Ag抗菌复合膜的制备方法,包括如下步骤：

(1)将1g  PLLA溶解于4g  DCM，搅拌充分；

(2)往上述步骤(1)的溶液中添加2g DMF(根据观察纤维状况，其中DCM量可上下0.2-0.5 g之间调节)，水浴80℃加热10 min，使溶液均一；

(3)往上述步骤(2)中添加0.07 g纳米银，超声10 min；

(4)将步骤(3)的溶液注入医用不锈钢6号针头、体积为20 mL的注射器中；

(5)将步骤(4)的材料进行静电纺丝，相关实验参数：铝箔收集器(20 mm×20 mm×0.2 mm)固定在距离针头15 cm处，使用电压为18 kV，流速为3 mL/h，得到的表面带有PLLA/Ag复合纤维的钛箔；

然后，将分析纯钙盐、磷酸盐的比例按照n_Ca: n_P=1.67配置(其中钙的浓度不能超过42 mmol·L^-1)，依次用蒸馏水溶解，混合后用氨水调节溶液的pH为5.0；将上述调节pH值的混合溶液作为电解液，以饱和甘汞电极为参比电极，铂金片为对电极，通过步骤(5)得到的表面带有PLLA/Ag复合纤维的钛箔为工作电极，在三电极系统的电解槽中进行电化学沉积，得到本发明生物医用涂层材料；

其中，电化学沉积参数为：脉冲高电位0 V，脉冲低电位-3 V，脉宽100 s，沉积时间60 min；

最后，将上述得到的生物医用涂层材料在真空条件下干燥72 h后，保存在37 ℃的恒温干燥箱中。

实施例二

将实施例一中的PLLA换成0.84 g，其他条件不变，进行静电纺丝。

实施例三

将实施例一中的PLLA换成0.7 g，其他条件不变，进行静电纺丝。

实施例四

(1)将1 g  PLLA溶解于4 g  DCM，搅拌充分；

(2)往上述步骤(1)的溶液中添加2g DMF，水浴80℃加热10 min，使溶液均一；

(3)往上述步骤(2)中添加0.007 g纳米银，超声10 min；

(4)将步骤(3)中的溶液注入医用不锈钢6号针头、体积为20mL的塑料注射器中；

(5)进步骤(4)的材料行静电纺丝，相关实验参数：铝箔收集器(20 mm×20 mm×0.2 mm)固定在距离针头15 cm处，使用电压为18 kV，流速为3 mL/h。

实施例五

将实施例四中的PLLA换成0.84 g，其他条件不变，进行静电纺丝。

实施例六

将实施例四中的聚乳酸换成0.7 g，其他条件不变，进行静电纺丝。

实施例七

(1)取实施例一中所制备的PLLA涂层(10 mm×10 mm)作为工作电极；

(2)称取四水硝酸钙3.944 g、磷酸氢二氨1.921 g，分别蒸馏水溶解；

(3)将上述步骤(2)的溶液配置成pH为5的混合溶液1000 mL，将烧杯置于磁力搅拌器上搅拌，最后得到均匀电解液；

(4)将步骤(3)中得到的均匀电解液取出250 mL放在电解槽中进行电化学沉积，相关参数为：脉冲高电位0 V、脉冲低电位-3 V、脉宽为100 s、沉积时间分别为60 min；

(5)将步骤(4)中制得的涂层材料置于室温下干燥后待用。

实施例八

取实施例三中所制备的PLLA涂层，其他条件不变，进行电化学沉积。

实施例九

取实施例四中所制备的PLLA涂层，其他条件不变，进行电化学沉积。

实施例十

取实施例五中所制备的PLLA涂层，其他条件不变，进行电化学沉积。

实施例十一

取实施例六中所制备的PLLA涂层，其他条件不变，进行电化学沉积。

本发明提供的矿化方法，由于整个电化学沉积过程是采用脉冲电位，有利于电解液中钙磷盐的均匀沉积。另外，工作电极表面是PLLA/Ag复合纤维膜，在PLLA中添加金属银提高其导电性，也有利于钙磷盐的快速、均匀沉积，无团聚，最终得到均匀钙磷盐涂层。整个电化学沉积工艺简单易行、周期短、不需添加分散剂、催化剂和交联剂。从而综合得到性能优良的生物医用材料。

实验例1

实验条件：恒电压18 k V、电纺时间3 min、针头距收集器15 cm，Ag浓度为0.04 g/L，结果见图1所示。

结果分析：由图1可知，纤维无粘联，纤维直径分布较均匀。由于PLLA为疏水性材料，故纤维上有少许裂纹。由14% PLLA/Ag的SEM图可知：纤维无粘联，纤维直径分布较均匀且表面光滑，表明纳米银颗粒的加入增加了PLLA纤维的亲水性。

实验例2

电化学沉积法在PLLA/Ag抗菌复合纤维表面矿化钙磷盐涂层的矿化率

实验条件：恒电压-3.0 V，沉积时间15 min、30 min、60 min，[Ca²⁺]=16.7 mmol/L、[PO₄^3-]=10 mmol/L，结果见图2所示。

结果分析：由图2可知，添加不同浓度Ag纳米颗粒制备的PLLA/Ag复合纤维对电化学沉积法矿化钙磷盐具有一定的影响。Ag含量不可过高也不能过低，浓度为含量为0.1%时60 min沉积率最高。且随着沉积时间的增加，其钙磷盐沉积量也不断增加。本实验最大矿化时间为60 min，此时复合纤维钙磷盐沉积量达到最大值。

本发明中所用原料均为本领域生产中常用原料，均可从市场中得到，且对于生产结果不会产生影响；本发明中所采用的各种设备，均为本领域生产工艺中使用的常规设备，且各设备的操作、参数等均按照常规操作进行，并无特别之处。