一种具有超强基底粘附性能的聚电解质水凝胶涂层及其制备方法

摘要

本发明公开了一种具有超强基底粘附性能的聚电解质水凝胶涂层及其制备方法。该制备方法包括步骤：1)采用氧等离子体活化基底；2)溶解聚阳离子聚合物、聚合单体、硅氧烷交联剂以及引发剂，得到预聚物溶液，抽真空除去气泡后涂覆到氧等离子体活化的基底表面，氮气或稀有气体气氛下原位聚合，固化；聚合单体包括丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯氨酸羟乙酯、2‑丙烯酰氨基‑2‑甲基‑1‑丙烷磺酸、聚乙二醇(二醇)二丙烯酸酯、2‑甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱、甲基丙稀酰乙基磺基甜菜碱、3‑[[2‑(甲基丙烯酰氧)乙基]二甲基铵]丙酸酯中的至少一种；硅氧烷交联剂具有碳碳双键官能团。

说明书

技术领域

本发明涉及生物医用材料技术领域，具体涉及一种具有超强基底粘附性能的聚电解质水凝胶涂层及其制备方法。

背景技术

随着医用技术的发展和医疗器械的广泛使用，器械与人体的相容性成为影响器械长期安全性的关键。生物医用涂层对于提高植介入医用装置的生物相容性发挥至关重要的作用，同时也能赋予材料与器械新的治疗功能，降低并发症的发生。例如，具有抗增生能力的药物洗脱支架与球囊系统的出现，极大地降低了传统的裸支架与裸球囊术后再狭窄的问题，因此显著改善患者的术后疗效。当前，水凝胶材料以其高含水量的仿生结构和良好的生物相容性成为功能医用材料的重要组成。其中亲水润滑凝胶涂层在医用导管、导丝等器械表面具有广泛的应用，为提高器械在体内的通过性、抗凝血性等方便提供重要支持。然而，需要指出的是，随着医用装置的不断发展，临床对医用涂层的需求已经不仅仅停留在亲水、润滑的功能需求，新型多功能水凝胶涂层亟待进一步发展。从临床应用角度出发，新型多功能水凝胶涂层技术需要满足以下特性：

(I)凝胶涂层与器械、装置需要较强的结合能力；

(II)凝胶涂层本身的机械性能具有宽泛的可调节范围，以满足不同器械的需求；

(III)凝胶涂层能满足治疗性功能分子的装载以实现组合医用装置的制备。

为提高凝胶涂层的基底结合力，大量基底表面修饰技术被开发。例如，对基底表面进行二苯甲酮类夺氢光引发剂的包埋，则可通过引发剂的夺氢反应为凝胶提供较好的界面结合力(O.Prucker,T.Brandstetter,J.Ruhe,Biointerphases 2017,13,010801)。然而，在实际的使用过程中，不同的装置所采用的材料具有较大的性质差别，在不同类型的材料表面这些表面修饰技术往往难以实现相似的修饰效果；并且表面修饰过程往往较为复杂，难以进行有效的质量控制。因此，发展一种更为简便可靠的涂层技术，实现凝胶涂层与基底的高效结合，是当前凝胶涂层技术的关键瓶颈为题。

于此同时，大量研究发现聚电解质材料具有良好的力学调控能力与后功能化能力，然而如何实现聚电解质涂层的高效可控制备是一大难题。本发明人在之前的研究中首创提出聚电解质复合物喷涂技术，实现聚电解质涂层的可控制备。本发明在之前的研究基础之上，进一步提升了聚电解质涂层与基底的粘结能力，从而制备得到具有超强基底粘附性能、可控力学性能以及功能分子装载能力的聚电解质水凝胶涂层。

发明内容

针对上述技术问题以及本领域存在的不足之处，本发明提供了一种具有超强基底粘附性能的聚电解质水凝胶涂层的制备方法，包括基底氧等离子体活化、聚电解质凝胶涂层制备、涂层原位聚合固化等过程，制备的聚电解质水凝胶涂层具有良好的生物相容性，力学性能可控，对基底具有良好的普适性，与多种基底均具有超强的界面结合力。

一种具有超强基底粘附性能的聚电解质水凝胶涂层的制备方法，包括步骤：

1)采用氧等离子体活化基底；

2)溶解聚阳离子聚合物、聚合单体、硅氧烷交联剂以及引发剂，得到预聚物溶液，抽真空除去气泡后涂覆到氧等离子体活化的基底表面，氮气或稀有气体气氛下原位聚合，固化；

所述聚合单体包括丙烯酰胺、丙烯酸、甲基丙烯氨酸羟乙酯、2-丙烯酰氨基-2-甲基-1-丙烷磺酸、聚乙二醇(二醇)二丙烯酸酯、2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱、甲基丙稀酰乙基磺基甜菜碱(CAS:3637-26-1)、3-[[2-(甲基丙烯酰氧)乙基]二甲基铵]丙酸酯中的至少一种；

所述硅氧烷交联剂具有碳碳双键官能团。

本发明的设计思想如下：凝胶涂层由聚阳离子聚合物组成的非共价键能力耗散网络与聚合单体和硅氧烷交联剂原位聚合组成的共价键交联网络组成。其中，本发明所涉及的基底均经过氧等离子体的活化，聚阳离子为凝胶与基底之间的结合提供丰富的非共价键相互作用(主要为氢键和静电相互作用)；而共价键交联网络中硅氧烷交联剂通过水解和脱水缩合反应，一方面为凝胶涂层本体的力学性能调控提供支持，另一方面为凝胶涂层与基底提供共价键合。本发明无需对基底进行复杂表面修饰。本发明的核心思想是：先通过氧等离子体活化基底，然后通过聚阳离子与基底的非共价键相互作用以及原位聚合的共价键交联网络与基底的共价键合作用有效组合，为凝胶涂层提供广谱性的超强的基底粘结性能。

步骤1)中，所述基底的材质包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(TPU)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚酰胺(PA)、聚四氟乙烯(PTFE)、玻璃(Glass)、陶瓷(Ceramic)、聚氯乙烯(PVC)、丙烯酸酯等。

步骤1)中，采用氧气作为活化气氛对基底进行等离子清洗和活化处理，氧等离子体发生器的频率优选为40KHz～13.56MHz，进一步优选为40KHz或13.56MHz，氧等离子体活化时间优选为2～60min，为确保表面活化程度，进一步优选为15～60min。

氧等离子体活化后的基底在1小时内进行涂覆为佳。

本发明利用聚阳离子聚合物作为涂层制备的原材料，一方面能改善凝胶预聚物溶液的粘度等加工性质，以适用不同类型的凝胶涂层制备方法；另一方面，聚阳离子聚合物为凝胶涂层的优异基底粘附性能提供广泛的非共价键支撑，是本发明专利的核心思想。

步骤2)中，所述聚阳离子聚合物包括胶原、明胶、壳聚糖、壳寡糖、ε-聚赖氨酸、聚左旋赖氨酸、聚右旋赖氨酸、线性聚乙烯亚胺、支化聚乙烯亚胺、聚烯丙基胺中的至少一种，考虑到医用凝胶涂层对于涂层稳定性和生物相容性的需求，优选为胶原、明胶、壳聚糖、聚左旋赖氨酸、聚右旋赖氨酸中的至少一种。

步骤2)中，所述聚阳离子聚合物的重均分子量优选为1000～300000Da，进一步优选为2000～150000Da。

考虑到医用凝胶涂层的生物相容性需求，步骤2)中，所述聚合单体优选为丙烯酸、甲基丙烯氨酸羟乙酯、2-丙烯酰氨基-2-甲基-1-丙烷磺酸、聚乙二醇(二醇)二丙烯酸酯、2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱、甲基丙稀酰乙基磺基甜菜碱中的至少一种。

所述聚乙二醇(二醇)二丙烯酸酯的数均分子量优选为200～20000Da。

步骤2)中，所述硅氧烷交联剂包括3-(三甲氧基甲硅基)甲基丙烯酸丙酯(CAS:115396-93-5)、O-(甲基丙烯酰氧乙基)-N-(三乙氧基硅基丙基)氨基甲酸酯(CAS:115396-93-5)、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷中的至少一种，考虑到聚合反应活性，优选为3-(三甲氧基甲硅基)甲基丙烯酸丙酯、O-(甲基丙烯酰氧乙基)-N-(三乙氧基硅基丙基)氨基甲酸酯中的至少一种。

引发剂类型决定了原位聚合的方式。步骤2)中，所述引发剂可为光引发剂，相应的，所述原位聚合在紫外光照射下进行，紫外光强度为10～200mW/cm

所述引发剂为热引发剂，相应的，所述原位聚合在饱和湿度环境下加热进行，聚合温度为50～80℃，聚合时间为1～30分钟。

具体的，所述引发剂包括但不仅限于二苯甲酮、偶氮二异丁腈(AIBN)、2-羟基-4’-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮(I2959)等。

聚阳离子聚合物在凝胶预聚物中的比例是与凝胶预聚物溶液加工性能、凝胶涂层的最终性质密切相关的。

步骤2)中，以所述预聚物溶液总质量为100％计，所述聚阳离子聚合物的质量分数优选为0.2％～20％，进一步优选为1％～15％，所述聚合单体的质量分数优选为1％～30％，进一步优选为10％～30％，所述硅氧烷交联剂的质量分数优选为0.1％～5％，所述引发剂的质量分数优选为0.1％～2％。

步骤2)中，所述预聚物溶液的溶剂可为水，或水和乙醇的混合物。部分引发剂的水溶性不佳，预聚物溶液适当增加乙醇可以增溶引发剂。以所述预聚物溶液总质量为100％计，乙醇的质量分数优选为1％～50％。

步骤2)中，可采用本领域常见的涂层制备方法将凝胶预聚物(即预聚物溶液)涂覆到氧等离子体活化的基底表面，包括但不仅限于喷涂、旋涂、浸涂、刮涂等方法。

本发明制备方法由于采用了硅氧烷交联剂，因此必须有固化过程。作为优选，步骤2)中，所述固化具体为：在相对湿度大于70％的环境下50～80℃退火固化0.5～6小时。

本发明还提供了所述的制备方法制备得到的具有超强基底粘附性能的聚电解质水凝胶涂层。

本发明的核心思想是在氧等离子体活化的基底表面，通过聚阳离子的非共价键相互作用与硅烷缩合的共价键合作用有效组合，为凝胶涂层提供超强的基底粘结性能。非共价聚阳离子的存在，为界面结合力提供了较强的能量耗散性能，而硅氧烷缩合后的共价键则为凝胶涂层提供稳定的化学键作用，两者相辅相成，共同构成凝胶涂层超强的界面结合力。

本发明与现有技术相比，主要优点包括：

1、无需对基底进行较为复杂、不可控的化学修饰；

2、聚阳离子聚合物的加入使得预聚物溶液更适用于浸涂、刮涂等工业中常用的凝胶涂层制备方法；

3、当预聚物溶液中添加乙醇后，本方法能通过雾化喷涂的方式将预聚物溶液涂覆于具有复杂三维结构的装置和器械表面，极大拓宽了本发明的应用范围。

附图说明

图1为实施例1的凝胶涂层在经过(+Plasma)或不经过(-Plasma)氧等离子体活化的不同材质基底表面涂覆凝胶涂层后的界面粘结强度(剪切强度，Shear strength)测试结果图；

图2为实施例2中表面通过超声雾化喷涂凝胶涂层后的留置针的照片；

图3为实施例8、对比例1的凝胶涂层与PVC基底界面粘结强度(剪切强度，Shearstrength)测试结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。

实施例1：聚丙烯酸/聚乙烯亚胺凝胶涂层制备

(1)预聚物溶液配制：采用重均分子量7万的线性聚乙烯亚胺为聚阳离子，质量分数为10％；采用丙烯酸为预聚物单体，质量分数为16.3％；采用3-(三甲氧基甲硅基)甲基丙烯酸丙酯作为硅氧烷交联剂，质量分数为0.5％；采用I2959为光引发剂，质量分数为0.5％；采用去离子水作为溶剂。

(2)聚电解质凝胶涂层制备：

采用13.56MHz的氧等离子体清洗机处理基底材料，材料基底分别为玻璃、陶瓷、聚四氟乙烯、聚酰胺、聚乙烯、聚氨酯、聚二甲基硅氧烷，清洗时间为5分钟。另取相应材料基底，不进行氧等离子体活化处理，作为对照。

采用旋涂方法将预聚物溶液均匀涂覆到各类经活化或未经活化的基底材料表面，在氩气气氛保护下采用365nm波长紫外灯进行涂层聚合，紫外灯强度为100mW/cm

(3)凝胶涂层交联固化：将凝胶涂层放置于饱和湿度固化箱中，温度设定为60摄氏度，固化时间为0.5小时。采用万能拉伸机进行180度剥离测试，得到凝胶涂层在各类基底表面的粘结强度如图1所示。

实施例2：聚丙烯酸/壳聚糖抗菌润滑涂层制备

(1)预聚物溶液配制：采用重均分子量1万的壳聚糖作为聚阳离子，质量分数为5％；采用丙烯酸为预聚物单体，质量分数为20％；采用3-(三甲氧基甲硅基)甲基丙烯酸丙酯作为硅氧烷交联剂，质量分数为1％；采用I2959为光引发剂，质量分数为0.5％；采用去离子水作为溶剂。

(2)聚电解质凝胶涂层制备：采用13.56MHz的氧等离子体清洗机处理聚氨酯留置针，清洗时间为10分钟；采用旋涂方法将预聚物溶液均匀涂覆到基底材料表面，在氩气气氛保护下采用365nm波长紫外灯进行涂层聚合，紫外灯强度为60mW/cm

(3)凝胶涂层交联固化：将凝胶涂层放置于饱和湿度固化箱中，温度设定为60摄氏度，固化时间为1小时。

实施例3：聚丙烯酸/聚左旋赖氨酸凝胶涂层制备

(1)预聚物溶液配制：采用重均分子量7万的聚左旋赖氨酸作为聚阳离子，质量分数为10％；采用丙烯酸为预聚物单体，质量分数为20％；采用3-(三甲氧基甲硅基)甲基丙烯酸丙酯作为硅氧烷交联剂，质量分数为2％；采用I2959为光引发剂，质量分数为0.5％；采用去离子水/乙醇混合溶液作为溶剂(质量比1/1)。

(2)聚电解质凝胶涂层制备：采用40KHz的氧等离子体清洗机处理聚氨酯导管，清洗时间为15分钟；采用超声雾化喷涂方式将预聚物溶液均匀涂覆到基底材料表面，在氩气气氛保护下采用365nm波长紫外灯进行涂层聚合，紫外灯强度为60mW/cm

(3)凝胶涂层交联固化：将凝胶涂层放置于饱和湿度固化箱中，温度设定为60摄氏度，固化时间为0.5小时。

实施例4：聚2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱/聚右旋赖氨酸涂层制备

(1)预聚物溶液配制：采用重均分子量7万的聚右旋赖氨酸作为聚阳离子，质量分数为10％；采用2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱为预聚物单体，质量分数为30％；采用O-(甲基丙烯酰氧乙基)-N-(三乙氧基硅基丙基)氨基甲酸酯作为硅氧烷交联剂，质量分数为2％；采用AIBN为热引发剂，质量分数为1％；采用去离子水作为溶剂。

(2)聚电解质凝胶涂层制备：采用13.56MHz的氧等离子体清洗机处理聚氨酯中央静脉导管，清洗时间为15分钟；采用浸涂方式将预聚物溶液均匀涂覆到基底材料表面，在氩气气氛保护下饱和湿度环境中避光聚合，聚合温度为60摄氏度，聚合时间为1小时。

(3)凝胶涂层交联固化：将凝胶涂层放置于饱和湿度固化箱中，温度设定为80摄氏度，固化时间为1小时。

实施例5：聚甲基丙烯酸羟乙酯/明胶凝胶涂层制备

(1)预聚物溶液配制：采用300g bloom的明胶作为聚阳离子，质量分数为10％；采用甲基丙烯酸羟乙酯为预聚物单体，质量分数为15％；采用3-(三甲氧基甲硅基)甲基丙烯酸丙酯作为硅氧烷交联剂，质量分数为2％；采用二苯甲酮为光引发剂，质量分数为0.5％；采用去离子水/乙醇混合溶液作为溶剂(质量比2/1)。

(2)聚电解质凝胶涂层制备：采用40KHz的氧等离子体清洗机处理聚乳酸骨板表面，清洗时间为20分钟；采用空气雾化喷涂方式将预聚物溶液均匀涂覆到基底材料表面，在氩气气氛保护下采用365nm波长紫外灯进行涂层聚合，紫外灯强度为80mW/cm

(3)凝胶涂层交联固化：将凝胶涂层放置于饱和湿度固化箱中，温度设定为50摄氏度，固化时间为1小时。

实施例6：聚甲基丙稀酰乙基磺基甜菜碱/胶原凝胶涂层制备

(1)预聚物溶液配制：采用IV型胶原作为聚阳离子，质量分数为1％；采用甲基丙稀酰乙基磺基甜菜碱为预聚物单体，质量分数为20％；采用乙烯基三甲氧基硅烷为硅氧烷交联剂，质量分数为2％；采用二苯甲酮为光引发剂，质量分数为0.5％；采用去离子水/乙醇混合溶液作为溶剂(质量比10/1)。

(2)聚电解质凝胶涂层制备：采用13.56MHz的氧等离子体清洗机处理陶瓷牙植入物，清洗时间为15分钟；采用刮涂方式将预聚物溶液均匀涂覆到基底材料表面，在氩气气氛保护下采用365nm波长紫外灯进行涂层聚合，紫外灯强度为100mW/cm

(3)凝胶涂层交联固化：将凝胶涂层放置于饱和湿度固化箱中，温度设定为80摄氏度，固化时间为2小时。

实施例7：聚2-丙烯酰氨基-2-甲基-1-丙烷磺酸/聚左旋赖氨酸凝胶涂层制备

(1)预聚物溶液配制：采用重均分子量10万的聚左旋赖氨酸作为聚阳离子，质量分数为5％；采用2-丙烯酰氨基-2-甲基-1-丙烷磺酸为预聚物单体，质量分数为20％；采用3-(三甲氧基甲硅基)甲基丙烯酸丙酯作为硅氧烷交联剂，质量分数为1％；采用二苯甲酮为光引发剂，质量分数为0.5％；采用去离子水/乙醇混合溶液作为溶剂(质量比1/1)。

(2)聚电解质凝胶涂层制备：采用13.56MHz的氧等离子体清洗机处理丙烯酸酯晶状体植入物，清洗时间为15分钟；采用超声雾化喷涂方式将预聚物溶液均匀涂覆到基底材料表面，在氩气气氛保护下采用365nm波长紫外灯进行涂层聚合，紫外灯强度为80mW/cm

(3)凝胶涂层交联固化：将凝胶涂层放置于饱和湿度固化箱中，温度设定为50摄氏度，固化时间为1小时。

实施例8：聚2-丙烯酰氨基-2-甲基-1-丙烷磺酸/壳聚糖润滑凝胶涂层制备

(1)预聚物溶液配制：采用重均分子量1万的壳聚糖作为聚阳离子，质量分数为3％；采用2-丙烯酰氨基-2-甲基-1-丙烷磺酸为预聚物单体，质量分数为20％；采用3-(三甲氧基甲硅基)甲基丙烯酸丙酯作为硅氧烷交联剂，质量分数为0.5％；采用I2959为光引发剂，质量分数为0.5％；采用去离子水作为溶剂。

(2)聚电解质凝胶涂层制备：采用13.56MHz的氧等离子体清洗机处理PVC导管表面，清洗时间为5分钟；采用提拉浸涂方式将预聚物溶液均匀涂覆到基底材料表面，在氩气气氛保护下采用365nm波长紫外灯进行涂层聚合，紫外灯强度为120mW/cm

(3)凝胶涂层交联固化：将凝胶涂层放置于饱和湿度固化箱中，温度设定为50摄氏度，固化时间为0.5小时。

为了测试涂层与PVC基底的结合力，按照上述方法将涂层制备于PVC片材上，随后采用502胶水将凝胶涂层粘接到玻璃之上固定，采用180度剥离实验测试涂层与PVC基底的剪切强度，结果参见图3Gel-8组，得到凝胶涂层的剪切强度超过150KPa。

对比例1：聚2-丙烯酰氨基-2-甲基-1-丙烷磺酸/壳聚糖对照凝胶涂层制备

(1)预聚物溶液配制：采用重均分子量1万的壳聚糖作为聚阳离子，质量分数为3％；采用2-丙烯酰氨基-2-甲基-1-丙烷磺酸为预聚物单体，质量分数为20％；采用甲叉双丙烯酰胺交联剂，质量分数为0.5％；采用I2959为光引发剂，质量分数为0.5％；采用去离子水作为溶剂。

(2)聚电解质凝胶涂层制备：采用13.56MHz的氧等离子体清洗机处理PVC导管表面，清洗时间为5分钟；采用提拉浸涂方式将预聚物溶液均匀涂覆到基底材料表面，在氩气气氛保护下采用365nm波长紫外灯进行涂层聚合，紫外灯强度为120mW/cm

由于未使用硅氧烷交联剂，因此无需固化步骤。

按照上述方法将对照涂层制备于PVC片材上，随后采用502胶水将凝胶涂层粘接到玻璃之上固定，采用180度剥离实验测试涂层与PVC基底的剪切强度，结果参见图3CTRL组，得到凝胶涂层的剪切强度低于50KPa。这充分说明本发明的硅氧烷交联剂的加入能为凝胶涂层的界面粘结强度提供显著的增强作用。

此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。