CN109232833A - 一种低细菌粘附、细菌释放并可再生的高强度纳米复合水凝胶的制备方法 - Google Patents

一种低细菌粘附、细菌释放并可再生的高强度纳米复合水凝胶的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低细菌粘附、可再生的高强度纳米复合水凝胶制备方法，包括以下步骤：1)聚合反应：将自由基引发剂加入到纳米粒子中，混合得到表面接枝引发剂的纳米粒子，再加入刺激响应型单体进行反应，得到表面接枝响应型聚合物刷的纳米粒子；2)UV交联：将表面接枝响应型聚合物刷的纳米粒子分散于溶剂中，再加入亲水性单体、引发剂和交联剂，混合后进行UV辐射交联，得到一种低细菌粘附、可再生的高强度纳米复合水凝胶。本发明方法制备过程简单高效，得到的纳米复合水凝胶细菌粘附量低、可释放细菌并表面功能再生，并赋予了材料优异的力学性能，为功能材料的制备提供了新思路。

Description

一种低细菌粘附、细菌释放并可再生的高强度纳米复合水凝 胶的制备方法
技术领域
本发明涉及纳米复合水凝胶的制备领域，具体涉及一种具有低细菌粘附、细菌释放并可再生的高强度纳米复合水凝胶的制备方法。
背景技术
细菌附着和繁殖所造成的组织感染、设备故障是生物医学应用领域长期存在的问题，严重威胁着人类的生命健康，所以，通过构建抗菌表面预防或减少材料表面生物污染具有重要的社会和经济意义。目前的抗菌方式主要有三种，分别是杀菌表面、抗细菌黏附以及细菌释放表面，由于单功能抗菌表面都有自身无法克服的缺陷，因此抗菌表面逐渐由单功能向多功能发展。
高分子水凝胶是一种具有三维互联网结构的高吸水性材料，其中，以水凝胶为基底的抗菌材料由于具有良好的生物相容性、透气性以及润湿性，在伤口敷料、导管涂料以及植入体等应用领域受到了广泛的关注。但是，传统水凝胶由于高分子链段中的亲水性基团使其具有良好的溶胀性能，但其吸水后容易破碎的特点限制了其发展。
目前，研究人员已利用刺激响应聚合物刷构建了一系列智能响应的多功能抗菌水凝胶材料，中国发明专利CN107868260A公开了一种低细菌粘附、杀菌并可再生的新型水凝胶的制备方法，其具体包括1)UV聚合反应；2)酯化反应；3)ATRP反应；4)载银反应；ATRP方法保证了功能聚合物刷长度的有效可控，还利用功能聚合物刷的环境响应性，实现了改变外界环境引起聚合物刷收缩伸长，并进而带动死菌脱附，从而实现水凝胶抗菌性能的可再生；还通过银离子的缓慢释放达到了长期抗菌的效果，产品对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌都有明显的抑菌效果，得到了一种多功能新型水凝胶。
但是现有的多功能抗菌水凝胶存在合成方法复杂、制备时间冗长以及力学性能差等问题，在实际应用中受到很大限制。因此，一种简单、高效地多功能高强度水凝胶制备方法在生物医学领域具有广阔的应用背景和潜在价值。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种细菌粘附率低、能将所附着的细菌释放并可再生的高强度纳米复合水凝胶的制备方法。
一种低细菌粘附、细菌释放并可再生的高强度纳米复合水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)聚合反应：将自由基引发剂加入到纳米粒子中，混合得到表面接枝引发剂的纳米粒子，再加入刺激响应型单体进行反应，得到表面接枝响应型聚合物刷的纳米粒子；
(2)UV交联：将表面接枝响应型聚合物刷的纳米粒子分散于溶剂中，再加入亲水性单体、引发剂和交联剂，混合后进行UV辐射交联，得到所述纳米复合水凝胶。
本发明方法利用活性自由基聚合在纳米粒子的表面接枝刺激响应性聚合物刷，再通过UV辐射交联制备了纳米粒子杂化的多功能抗菌水凝胶体系。当负载的接枝响应性聚合物刷的纳米粒子含量到达一定时，聚合物刷可伸展至水凝胶表面，在纳米粒子表面的聚合物刷可以响应外界刺激而改变自身的物理或化学性质，从而赋予水凝胶智能响应的特点，改变外界环境引起聚合物刷收缩伸长，进而带动死菌脱附，实现了纳米复合水凝胶的细菌释放并可再生。
纳米粒子由于具有较高的表面效应使其具有较高的表面活性，可以通过物理吸附存在于高分子链段上，同时纳米粒子表面接枝的聚合物刷与水凝胶基底高分子链段将产生缠结作用，因此能够提高水凝胶的强度；此外，采用UV交联和化学交联相结合，同时负载纳米粒子，也能使得到的多功能抗菌纳米复合水凝胶具有更强的力学性能。
步骤(1)中，所述的聚合反应为原子转移自由基聚合反应、可逆加成链转移聚合反应或光引发转移终止聚合反应。
所述的原子转移自由基聚合反应的具体步骤为：将ATRP引发剂加入到纳米粒子中，搅拌得到接枝引发剂的纳米粒子，再加入刺激响应型单体、催化剂、配体和溶剂，待分散均匀后，在无氧条件下反应6h-48h，得到表面接枝响应型聚合物刷的纳米粒子；
所述ATRP引发剂为有机卤化物；所述溶剂为体积比为1:1的三氟乙醇与水的混合液、体积比为1:1的异丙醇与水的混合液、去离子水或2-异丙醇；所述催化剂为氯化亚铜；所述配体为Me6TREN或联吡啶。
所述的可逆加成链转移聚合反应的具体步骤为：将RAFT试剂加入到纳米粒子中，搅拌得到接枝RAFT试剂的纳米粒子，再加入刺激响应型单体、自由基引发剂和溶剂，待分散均匀后，在无氧条件下反应6h-48h，得到表面接枝响应型聚合物刷的纳米粒子；
所述RAFT引发剂为2-(十二烷基三硫代碳酸酯)-2-甲基丙酸(DDMAT)。
所述的光引发转移终止聚合反应的具体步骤为：将光引发剂加入到纳米粒子中，升温至60℃-80℃反应1h-2h，得到接枝光引发剂的纳米粒子，再加入刺激响应型单体和溶剂，待分散均匀后，在紫外光照和氮气保护下反应30min-60min，得到表面接枝响应型聚合物刷的纳米粒子；
所述的光引发剂为2-[对-(2-羟基-2-甲基苯丙酮)]-乙二醇甲基丙烯酸酯。
步骤(1)中，所述的纳米粒子为纳米二氧化硅粒子、纳米二氧化钛粒子、纳米金粒子或聚合物纳米粒子。
步骤(1)中，所述的刺激响应性单体为盐响应单体DVBAPS、温度响应性单体NIPAM或pH响应性单体MAA。
步骤(1)中，所述的响应型聚合物刷的厚度为60nm-200nm，纳米粒子表面的聚合物刷厚度过短，会使聚合物刷无法伸展至水凝胶表面，而聚合物刷过长会导致响应性能弱化。
步骤(2)中，所述的UV辐射的条件为：UV光波长365nm，照射时间3min-120min，若反应时间过短则无法形成凝胶，在此范围内可形成水凝胶。
步骤(2)中，所述的表面接枝响应型聚合物刷的纳米粒子、引发剂、交联剂和亲水性单体的质量比为0.2-10:0.1-10:0.1-5:100；
所述亲水性单体为HEAA、HEMA或SBMA；所述的交联剂为MBA、DTA、二叔丁基过氧化物；所述的引发剂为2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、AIBA、AIP或ACVA；
所述的溶剂为水、水与甲醇的体积比为10:1的甲醇水溶液或水与乙醇的体积比为10:1的乙醇水溶液。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明方法采用改性后的纳米粒子负载水凝胶，可以克服传统纳米粒子负载水凝胶中纳米粒子团聚问题，更好地提升所得到的纳米复合水凝胶的性能；
(2)本发明采用刺激响应聚合物刷改性的纳米粒子杂化的方法制备多功能抗菌水凝胶，共混法制备纳米复合水凝胶方法简单高效，成本更低；
(3)本发明方法中，纳米粒子表面接枝的聚合物刷与水凝胶基底高分子链段产生缠结作用，使得到的多功能抗菌纳米复合水凝胶具有更强的力学性能；
(4)本发明方法得到的产品具有长效抗细菌黏附的功能，当细菌黏附量达到一定程度时，改变外界条件即可释放表面黏附的细菌，实现功能再生。
附图说明
图1为所述的低细菌粘附、细菌释放并可再生的纳米复合水凝胶的结构示意图；
图2为实施例1中得到的纳米复合水凝胶表面荧光显微图；
图3为实施例1中得到的纳米复合水凝胶的应力-应变图。
具体实施方式
通过实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不受以下实施例所限定。
实施例1
(1)取5g纳米二氧化硅粒子置于50ml圆底烧瓶，加入0.3ml干吡啶，0℃下逐滴加入0.25ml的有机卤化物2-溴异丁酰溴，待搅拌30min后，室温下反应12小时，8000rpm离心洗涤收集固体颗粒；
(2)取步骤(1)得到的固体颗粒80mg，依次加入1.48g盐响应单体DVBAPS、2ml聚合物良溶剂三氟乙醇、2ml去离子水、20μL配体Me6TREN、18mg过渡金属卤化物CuCl，经过多次真空抽气、通N2循环后，使体系在25℃条件下反应24h，得到改性纳米粒子；
(3)取50mL的烧杯，向其中依次加入改性纳米粒子(分别加入占亲水性单体质量的0、0.5wt％、1wt％、2wt％)、1.8g亲水性单体HEAA、0.039g光引发剂2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、0.005g交联剂MBA、2g超纯水，待搅拌至充分溶解后，将溶液转移至备用的模具中，并用波长为365nm的UV光照60min，得到所述纳米复合水凝胶。
图2为得到的纳米复合水凝胶表面荧光显微图，为了进一步研究纳米复合水凝胶的力学性能，在湿态下对其进行了拉伸实验，所得到的纳米复合水凝胶的应力-应变图见图3；其中polyHEAA@SNPs-g-polyDVBAPS-1为改性纳米粒子质量占亲水性单体质量的0.5％时的纳米复合水凝胶，pol yHEAA@SNPs-g-polyDVBAPS-2为改性纳米粒子质量占亲水性单体质量的1％时的纳米复合水凝胶，polyHEAA@SNPs-g-polyDVBAPS-3为改性纳米粒子质量占亲水性单体质量的2％时的纳米复合水凝胶。
如图2所示，所述复合水凝胶对大肠杆菌/金黄色葡萄球菌培养过程(E.coli:120h；S.aureus:60h)中，具有良好的抗细菌粘附效果(低细菌粘附)，随着培养时间的进一步延长，在120h(60h)时复合水凝胶表面的细菌数量仍然低于～106/cm2；通过在2.0M的NaCl溶液中浸泡后，凝胶表面的细菌又回到低于～104/cm2的状态，说明了所得到的复合水凝胶具有脱附细菌、表面可再生清洁的性能。
如图3所示，与纯HEAA水凝胶相比，填充了改性纳米粒子的水凝胶的断裂强度和断裂伸长率有了很大提升，随着填充量的增加，水凝胶模量不断增加；但是，水凝胶韧性存在一个临界值，当改性纳米粒子的填充量为1wt％时，与纯水凝胶相比，纳米复合水凝胶的拉伸应力提升了5.5倍、拉伸应变提升了4.3倍。
实施例2
(1)取纳米二氧化硅粒子5g，依次加入2.6mmol自由基捕捉剂2-(十二烷基三硫代碳酸酯)-2-甲基丙酸(DDMAT)、75ml去离子水、过量缩合剂1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)，超声分散后室温下反应24h；
(2)取上述接有RAFT试剂的固体颗粒80mg，依次加入0.95g SBMA、0.072g自由基引发剂偶氮二异丁氰(AIBN)、4ml去离子水、经过多次真空抽气-通N2循环后，使体系在25℃条件下反应24h；
(3)取50mL的烧杯，向其依次加入向其中依次加入0.18g改性纳米粒子、1.8g亲水性单体HEAA、0.04g自由基引发剂2,2'-偶氮二异丁基脒二盐酸盐(AIBA)、0.005g DTA、2g超纯水，待搅拌至充分溶解后，将溶液转移至备用的模具中，并用波长为365nm的UV光照60min得到所述的纳米复合水凝胶。
实施例3
(1)0.1g十二烷基硫酸钠(SDS)溶解在190ml去离子水中，加入10g苯乙烯单体，加入0.16g过硫酸钾(KPS)氮气条件下反应1h，升温至90℃反应1.5h；逐滴加入4.5g光引发剂2-[对-(2-羟基-2-甲基苯丙酮)]-乙二醇甲基丙烯酸酯(HMEM)，在70℃反应1.5h；
(2)取50ml反应管中，依次加入接有光引发剂的纳米粒子100mg、12ml单体DMAMMA，充分搅拌分散后，置于350W紫外灯下照射，氮气保护下反应45min；
(3)取50mL的烧杯，向其中依次加入0.09g改性纳米粒子、1.8g HEAA、0.039g 2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、0.005g MBA、2g超纯水，待搅拌至充分溶解后，将溶液转移至备用的模具中，并用波长为365nm的UV光照60min得到所述的纳米复合水凝胶。
实施例4
(1)取5g二氧化硅纳米粒子置于50ml圆底烧瓶，加入0.3ml干吡啶，0℃下逐滴加入0.25ml的2-溴异丁酰溴，待搅拌30min后，室温下反应12小时，8000rpm离心洗涤收集固体颗粒；
(2)取上述表面接枝引发剂的固体颗粒80mg，依次加入0.62g NIPA、2ml三氟乙醇、2ml去离子水、20μL Me6TREN、18mg CuCl，经过多次真空抽气-通N2循环后，使体系在25℃条件下反应24h；
(3)取50mL的烧杯，向其中依次加入0.18g改性纳米粒子、1.8g HEAA、0.039g 2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、0.005g MBA、2g超纯水，待搅拌至充分溶解后，将溶液转移至备用的模具中，并用波长为365nm的UV光照60min得到所述的纳米复合水凝胶。
综合上述实例，该复合水凝胶制备方式简单高效、低细菌粘附且可脱附再生，还具有较好的力学性能，在生物医学、组织工程领域有广阔的研究前景。

Claims (10)

1.一种低细菌粘附、细菌释放并可再生的高强度纳米复合水凝胶的制备方法，包括如下步骤：
(1)聚合反应：将自由基引发剂加入到纳米粒子中，混合得到表面接枝引发剂的纳米粒子，再加入刺激响应型单体进行反应，得到表面接枝响应型聚合物刷的纳米粒子；
(2)UV交联：将表面接枝响应型聚合物刷的纳米粒子分散于溶剂中，再加入亲水性单体、引发剂和交联剂，混合后进行UV辐射交联，得到所述纳米复合水凝胶。
2.如权利要求1所述的纳米复合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的聚合反应为原子转移自由基聚合反应、可逆加成链转移聚合反应或光引发转移终止聚合反应。
3.如权利要求2所述的纳米复合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的原子转移自由基聚合反应的具体步骤为：将ATRP引发剂加入到纳米粒子中，搅拌得到接枝引发剂的纳米粒子，再加入刺激响应型单体、催化剂、配体和溶剂，待分散均匀后，在无氧条件下反应6h-48h，得到表面接枝响应型聚合物刷的纳米粒子。
4.如权利要求2所述的纳米复合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的可逆加成链转移聚合反应的具体步骤为：将RAFT试剂加入到纳米粒子中，搅拌得到接枝RAFT试剂的纳米粒子，再加入刺激响应型单体、自由基引发剂和溶剂，待分散均匀后，在无氧条件下反应6h-48h，得到表面接枝响应型聚合物刷的纳米粒子。
5.如权利要求2所述的纳米复合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的光引发转移终止聚合反应的具体步骤为：将光引发剂加入到纳米粒子中，升温至60℃-80℃反应1h-2h，得到接枝光引发剂的纳米粒子，再加入刺激响应型单体和溶剂，待分散均匀后，在紫外光照和氮气保护下反应30min-60min，得到表面接枝响应型聚合物刷的纳米粒子。
6.如权利要求1-5任一项权利要求所述的纳米复合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的纳米粒子为纳米二氧化硅粒子、纳米二氧化钛粒子、纳米金粒子或聚合物纳米粒子。
7.如权利要求1-5任一项权利要求所述的纳米复合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的刺激响应性单体为盐响应单体DVBAPS、温度响应单体NIPAM或pH响应单体MAA。
8.如权利要求1-5任一项权利要求所述的纳米复合水凝胶的制备方法，其特征在于，所述的响应型聚合物刷的厚度为60nm-200nm。
9.如权利要求1-5任一项权利要求所述的纳米复合水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的UV辐射的条件为：UV光波长365nm，照射时间3min-120min。
10.如权利要求1-5任一项权利要求所述的纳米复合水凝胶的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的表面接枝响应型聚合物刷的纳米粒子、引发剂、交联剂和亲水性单体的质量比为0.2-10:0.1-10:0.1-5:100。
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Application publication date: 20190118

Assignee: Ningbo Tianye Construction Consulting Co.,Ltd.

Assignor: JIANG University OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2023980035744

Denomination of invention: A preparation method of high-strength nanocomposite hydrogel with low bacterial adhesion, bacterial release and regeneration

Granted publication date: 20210406

License type: Common License

Record date: 20230520

Application publication date: 20190118

Assignee: Ningbo Dianshi Building Decoration Engineering Co.,Ltd.

Assignor: JIANG University OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2023980035749

Denomination of invention: A preparation method of high-strength nanocomposite hydrogel with low bacterial adhesion, bacterial release and regeneration

Granted publication date: 20210406

License type: Common License

Record date: 20230520

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
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Application publication date: 20190118

Assignee: Zhejiang Baosheng Plastic Industry Co.,Ltd.

Assignor: JIANG University OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2023980037517

Denomination of invention: A preparation method of high-strength nanocomposite hydrogel with low bacterial adhesion, bacterial release and regeneration

Granted publication date: 20210406

License type: Common License

Record date: 20230705

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