一种具有良好细胞相容性的智能抗菌涂层及其制备方法

摘要

本发明提供一种具有良好细胞相容性的智能抗菌涂层及其制备方法，所制备涂层可响应性释放抗菌剂，杀死细菌并具有较好的细胞相容性。该涂层材料的制备方法是：首先利用2‑(吡啶‑2‑基二硫烷基)乙‑1‑胺盐酸盐(PDA)和多巴胺盐酸盐(DA)对生物大分子γ‑聚谷氨酸(γ‑PGA)进行改性，得到γ‑PGA‑PDA‑DA；进一步将γ‑PGA‑PDA‑DA和有机抗菌剂共同溶于有机溶剂中，利用选择性溶剂法制备负载抗菌剂的胶体粒子；最后以上述负载有抗菌剂的胶体粒子乙醇分散液为沉积液，采用电泳沉积技术在医用植入金属材料表面制备具抗菌涂层。该涂层不仅具有较好的细胞相容性，而且可响应还原性物质例二硫苏糖醇释放抗菌剂，杀死涂层周围细菌；此外该涂层还具有制备方法简单、条件可控、适用基材广、涂层厚度可调、抗菌剂负载率高等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有良好细胞相容性的智能抗菌涂层及其制备方法，属于生物涂层、抗菌涂层领域。

技术背景

生物医用金属材料临床应用时易引起细菌粘附、增殖，进一步造成细菌感染，引发炎症、疼痛、发热等一系列并发症。在金属材料表面制备抗菌涂层成为改善上述问题的主要方法，目前，抗菌涂层主要分为两类：接触型和缓释型。接触型抗菌涂层主要通过在涂层中引入季铵盐，其可破坏细菌细胞膜，造成细菌细胞内蛋白质和营养物质流失，导致细菌死亡；(Lingren Wang,Hao Li,Shuai Chen,Chuanxiong Nie,Chong Cheng,ChangshengZhao.Interfacial Self-Assembly of Heparin-Mimetic Multilayer on MembraneSubstrate as Effective Antithrombotic, Endothelialization,and AntibacterialCoating.ACS Biomater.Sci.Eng,2015,1:1183-1193.)缓释型抗菌涂层主要是通过负载抗菌剂或金属粒子，通过其释放杀死细菌(Xiaojie Chen,Dandan Hou, Lu Wang,QianZhang,Jiahan Zou and Gang Sun.Antibacterial Surgical Silk Sutures Using aHigh-Performance Slow Release Carrier Coating System.ACSAppl.Mater.Interfaces 2015, 7:22394-22403.)。但是接触型抗菌涂层主要通过季铵盐杀菌，其会对细胞产生一定的毒性，影响细胞生长；而缓释型抗菌涂层中抗菌剂释放不可控，浪费抗菌剂，且长期使用易使细菌产生抗药性。因此，制备一种既可以提高涂层细胞相容性，又能响应性释放抗菌剂实现智能杀菌的抗菌涂层是一条有效途径。

本发明提供一种具有良好细胞相容性的智能抗菌涂层及其制备方法，涂层具有较好的细胞相容性，同时可响应性释放其中抗菌剂，避免抗菌剂浪费，实现智能杀菌。

发明内容

本发明的目的是提供了一种具有良好细胞相容性的智能抗菌涂层及其制备方法，旨在得到具有良好细胞相容性的响应性、智能抗菌涂层，该涂层可响应性杀死细菌的同时，仍具有较好的细胞相容性。它的设计思路是：通过酰胺反应制备改性生物大分子，进一步利用选择性溶剂法制备负载抗菌药物的载药胶体粒子，最后通过电泳沉积技术在316L不锈钢表面制备具有良好细胞相容性的智能抗菌涂层。该涂层在具有良好细胞相容性的同时，可响应还原性化合物，实现抗菌药物的刺激释放，杀死涂层周围的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，实现智能抗菌。

本发明的技术方案为：

一种具有良好细胞相容性的智能抗菌涂层的制备方法，其特征步骤为：

(1)氧化还原刺激响应性γ-聚谷氨酸(γ-PGA-PDA)的制备：称取γ-聚谷氨酸溶于有机溶剂中，加入HOBt和EDC进行活化，随后加入2-(吡啶-2-基二硫烷基)乙-1-胺盐酸盐(PDA) 控制反应温度和反应时间进行反应。反应完成后将反应液在无水乙醇中反复沉淀，透析即可得到产物。

γ-PGA、PDA、HOBt、EDC的投料摩尔比范围为1:0.5:0.5:1-1:2:2:1，活化时间范围为： 10-60min，反应温度范围为20℃-40℃，反应时间范围为10-30h。

(2)多巴胺改性氧化还原刺激响应性γ-聚谷氨酸(γ-PGA-PDA-DA)的制备：称取γ-PGA-PDA于圆底烧瓶中，溶于有机溶剂，加入HOBt和EDC进行活化，随后加入盐酸多巴胺(DA)控制反应温度和反应时间进行反应。反应完成后将反应液在无水乙醇中反复沉淀透析即可得到产物。

γ-PGA-PDA、PDA、HOBt、EDC的投料摩尔比范围为1:1:1:1-1:2:2:1，活化时间范围为： 10-60min，反应温度范围为20℃-40℃，反应时间范围为10-30h。

(3)载药胶体粒子的制备：将步骤(2)制备得到的γ-PGA-PDA-DA和抗菌药物溶于有机溶剂中，接着向溶液中逐滴滴加无水乙醇诱导改性生物大分子与抗菌药物复合自组装，制备载药胶体粒子。

制备载药胶体粒子所用γ-PGA-PDA-DA溶液浓度范围为0.1～20.0mg/mL，药物浓度范围为0.1～20.0mg/mL，所用抗菌药物为氧氟沙星、诺氟沙星等喹诺酮类抗菌药物。无水乙醇加入量与γ-PGA-PDA-DA溶液体积比为1:1-3:1，所制备载药胶体粒子粒径范围为20nm-200 nm。

(4)智能抗菌涂层的制备：以步骤(3)制备的载药胶体粒子分散溶液为沉积液，医用金属基材为工作电极，铂片为对电极，通过电泳沉积技术制备具有良好细胞相容性的智能抗菌涂层。

电泳沉积过程所用医用金属基材为不锈钢、钛合金、钴基合金、镁合金等，沉积电压范围为20V-300V，沉积时间范围为0.5min-30min。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明制备载药胶体粒子过程简单、方便，药物负载效率高，可达70％以上。

(2)利用电泳沉积技术在医用金属材料表面制备涂层，操作方便、设备简单、投资低、涂层制备过程可控、涂层厚度较厚且可控，基材适用范围广；

(3)最终制备涂层具有良好的细胞相容性，小鼠L929细胞可在涂层表面粘附、增殖，细胞活性、生长状况均较好；

(4)最终制备涂层可智能抗菌，当GSH浓度为0或较低时，涂层中抗菌药物例氧氟沙星释放量较少，杀菌效果一般；当GSH浓度较大为10mM时，涂层中二硫键断裂，涂层亲水性增强，氧氟沙星释放量增大，杀菌效果增强，抑菌圈变大。

附图说明

图1为权利要求书1中具有良好细胞相容性的智能抗菌涂层的制备和抗菌示意图。

图2为实施例1中具有良好细胞相容性的智能抗菌涂层的SEM图：从图中看出所制备涂层表面较为光滑、致密；

图3为实施例2中具有良好细胞相容性的智能抗菌涂层样品释放氧氟沙星结果图：从图中可以看出，当细菌培养液中不含有GSH时，氧氟沙星释放量较少，当GSH浓度增大至10mM时，相同时间内氧氟沙星释放量大大增大，说明涂层具有较好的响应释药性能；

图4为实施例3中具有良好细胞相容性的智能抗菌涂层样品的细胞毒性结果：从图中可以看出沉积涂层后，涂层表面细胞数量及活性均增强，说明涂层具有较好的细胞相容性；

图5为实施例4中具有良好细胞相容性的智能抗菌涂层样品的抗菌结果图：从图中可以看出滴加GSH后，抗菌实验中的抑菌圈增大，说明氧氟沙星释放量增多，抗菌性增强，因此可证明所制备涂层具有响应性抗菌性能，可智能抗菌。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于此。

实施例1：

(1)氧化还原刺激响应性γ-聚谷氨酸(γ-PGA-PDA)的制备：称取2mmolγ-聚谷氨酸溶于 35mL二甲亚砜中，升温至70℃，搅拌溶解，降温至30℃；加入2mmol HOBt和2mmolEDC 活化10min，随后加入2mmol 2-(吡啶-2-基二硫烷基)乙-1-胺盐酸盐(PDA)于30℃下反应24h。反应完成后将反应液在无水乙醇中反复沉淀，透析即可得到产物。

(2)多巴胺改性氧化还原刺激响应性γ-聚谷氨酸(γ-PGA-PDA-DA)的制备：称取2mmol γ-PGA-PDA于圆底烧瓶中，加入35mL二甲亚砜，升温至70℃，减半溶解，降温至30℃；加入4mmol HOBt和2mmol EDC活化10min，随后加入2mmol盐酸多巴胺(DA)于30℃下反应24h。反应完成后将反应液在无水乙醇中反复沉淀透析即可得到产物。

(3)载药胶体粒子的制备：将步骤(2)制备得到的γ-PGA-PDA-DA和氧氟沙星溶于二甲亚砜中形成1mg/mL的溶液，氧氟沙星浓度为1mg/mL，向上述溶液中按体积比1:1滴加无水乙醇，γ-PGA-PDA-DA和氧氟沙星发生共组装，即可得到载药胶体粒子。

(4)智能抗菌涂层的制备：以步骤(3)制备的载药胶体粒子分散溶液10mL为沉积液， 316L不锈钢为工作电极，铂片为对电极，在50V沉积电压下沉积5min，制备具有良好生物相容性的智能抗菌涂层，涂层示意图如图2所示。

实施例2：

(1)氧化还原刺激响应性γ-聚谷氨酸(γ-PGA-PDA)的制备：称取2mmolγ-聚谷氨酸溶于 35mL二甲亚砜中，升温至70℃，搅拌溶解，降温至25℃；加入2mmol HOBt和2mmolEDC 活化10min，随后加入3mmol 2-(吡啶-2-基二硫烷基)乙-1-胺盐酸盐(PDA)于30℃下反应24h。反应完成后将反应液在无水乙醇中反复沉淀，透析即可得到产物。

(2)多巴胺改性氧化还原刺激响应性γ-聚谷氨酸(γ-PGA-PDA-DA)的制备：称取2mmol γ-PGA-PDA于圆底烧瓶中，加入35mL二甲亚砜，升温至70℃，减半溶解，降温至25℃；加入4mmol HOBt和2mmol EDC活化10min，随后加入3mmol盐酸多巴胺(DA)于30℃下反应24h。反应完成后将反应液在无水乙醇中反复沉淀透析即可得到产物。

(3)载药胶体粒子的制备：将步骤(2)制备得到的γ-PGA-PDA-DA和氧氟沙星溶于二甲亚砜中形成5mg/mL的溶液，氧氟沙星浓度为3mg/mL，向上述溶液中按体积比1:1滴加无水乙醇，γ-PGA-PDA-DA和氧氟沙星发生共组装，即可得到载药胶体粒子。

(4)智能抗菌涂层的制备：以步骤(3)制备的载药胶体粒子分散溶液30mL为沉积液， 316L不锈钢为工作电极，铂片为对电极，在50V沉积电压下沉积10min，制备具有良好生物相容性的智能抗菌涂层，涂层中氧氟沙星累计释放图如图3所示。

实施例3：

(1)氧化还原刺激响应性γ-聚谷氨酸(γ-PGA-PDA)的制备：称取2mmolγ-聚谷氨酸溶于 35mL二甲亚砜中，升温至70℃，搅拌溶解，降温至25℃；加入3mmol HOBt和2mmolEDC 活化20min，随后加入3mmol 2-(吡啶-2-基二硫烷基)乙-1-胺盐酸盐(PDA)于30℃下反应20h。反应完成后将反应液在无水乙醇中反复沉淀，透析即可得到产物。

(2)多巴胺改性氧化还原刺激响应性γ-聚谷氨酸(γ-PGA-PDA-DA)的制备：称取2mmol γ-PGA-PDA于圆底烧瓶中，加入35mL二甲亚砜，升温至70℃，减半溶解，降温至25℃；加入4mmol HOBt和2mmol EDC活化20min，随后加入3mmol盐酸多巴胺(DA)于30℃下反应24h。反应完成后将反应液在无水乙醇中反复沉淀透析即可得到产物。

(3)载药胶体粒子的制备：将步骤(2)制备得到的γ-PGA-PDA-DA和氧氟沙星溶于二甲亚砜中形成10mg/mL的溶液，氧氟沙星浓度为3mg/mL，向上述溶液中按体积比2:1滴加无水乙醇，γ-PGA-PDA-DA和氧氟沙星发生共组装，即可得到载药胶体粒子。

(4)智能抗菌涂层的制备：以步骤(3)制备的载药胶体粒子分散溶液30mL为沉积液， 316L不锈钢为工作电极，铂片为对电极，在150V沉积电压下沉积30min，制备具有良好生物相容性的智能抗菌涂层，涂层细胞毒性如图4所示。

实施例4：

(1)氧化还原刺激响应性γ-聚谷氨酸(γ-PGA-PDA)的制备：称取2mmolγ-聚谷氨酸溶于 35mL二甲亚砜中，升温至70℃，搅拌溶解，降温至25℃；加入4mmol HOBt和2mmolEDC 活化20min，随后加入4mmol 2-(吡啶-2-基二硫烷基)乙-1-胺盐酸盐(PDA)于25℃下反应20h。反应完成后将反应液在无水乙醇中反复沉淀，透析即可得到产物。

(2)多巴胺改性氧化还原刺激响应性γ-聚谷氨酸(γ-PGA-PDA-DA)的制备：称取2mmol γ-PGA-PDA于圆底烧瓶中，加入35mL二甲亚砜，升温至70℃，减半溶解，降温至25℃；加入4mmol HOBt和2mmol EDC活化20min，随后加入3mmol盐酸多巴胺(DA)于25℃下反应20h。反应完成后将反应液在无水乙醇中反复沉淀透析即可得到产物。

(3)载药胶体粒子的制备：将步骤(2)制备得到的γ-PGA-PDA-DA和氧氟沙星溶于二甲亚砜中形成10mg/mL的溶液，氧氟沙星浓度为10mg/mL，向上述溶液中按体积比3:1滴加无水乙醇，γ-PGA-PDA-DA和氧氟沙星发生共组装，即可得到载药胶体粒子。

(4)智能抗菌涂层的制备：以步骤(3)制备的载药胶体粒子分散溶液50mL为沉积液， 316L不锈钢为工作电极，铂片为对电极，在300V沉积电压下沉积30min，制备具有良好生物相容性的智能抗菌涂层，涂层抗菌实验结果图如图5所示。

上述实施例用来说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都将落入本发明的保护范围。