CN109731137B

CN109731137B - 具有生物抗污功能的白蛋白涂层的制备方法及具有生物抗污功能的材料

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Publication number: CN109731137B
Application number: CN201910189300.1A
Authority: CN
Inventors: 王娟; 杨作霞; 程龙飞
Original assignee: Shaanxi Normal University
Current assignee: Shaanxi Normal University
Priority date: 2019-03-13
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2021-05-07
Anticipated expiration: 2039-03-13
Also published as: CN109731137A

Abstract

本发明公开了具有生物抗污功能的白蛋白涂层的制备方法及具有生物抗污功能的材料，涉及医用材料技术领域。该具有生物抗污功能的白蛋白涂层的制备方法包括：将白蛋白、溶剂和蛋白结构转化剂混合后形成浸涂混合液；将待改性材料在浸涂混合液中浸泡；其中，蛋白结构转化剂为强氧化剂或强还原剂。具有生物抗污功能的材料包括改性基材和在改性基材上形成白蛋白涂层，白蛋白为β折叠结构。材料制备方法简便易行，且涂层与基材的结合强度高，具有长期抗凝血性能和抗菌性能，能够抑制血管细胞和组织的粘附。

Description

具有生物抗污功能的白蛋白涂层的制备方法及具有生物抗污功能的材料

技术领域

本发明涉及医用材料技术领域，且特别涉及具有生物抗污功能的白蛋白涂层的制备方法及具有生物抗污功能的材料。

背景技术

人工心脏、起搏器、心室辅助装置等与人体血液接触的装置在临床应用过程中会伴随血栓和感染问题，直接导致了患者发病率、死亡率的增加。在临床中预防感染和血栓的手段主要是采用肝素或抗生素进行药物治疗，此种用药方式增加了患者出血，并容易使肝素诱导血小板减少症的发生。此外，抗生素也应用于人体后会引发很多严重的不良反应。

为了减少临床应用的并发症，材料表面功能化的方式应运而生，是解决感染和血栓等问题的有效手段。聚乙二醇(PEG)接枝/涂层、聚乙二醇(PEG)接枝/涂层、超疏水表面处理、表面肝素化及表面微纳结构处理等表面改性方法大多都操作繁琐，往往需要要对材料进行处理以引入官能团，从而实现功能分子的固定，操作过程十分复杂。

白蛋白主要存在于血液和哺乳动物的乳清中，白蛋白若预吸附在材料的表面，就能够有效阻止其他蛋白的吸附，进而具有抗凝，抗菌的功能。但是，运用白蛋白对材料表面改性的方法主要是采用共价接枝的方式，其效果往往受限于表面白蛋白的固定量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有生物抗污功能的白蛋白涂层的制备方法，采用一步浸涂的方式更方便地进行白蛋白分子的固定。

本发明的另一目的在于提供一种具有生物抗污功能的材料，其制备方法简便易行，具有很好的生物抗物性能。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提出了一种具有生物抗污功能的白蛋白涂层的制备方法，包括如下步骤：

利用浸涂混合液在待改性材料上形成涂层；

其中，浸涂混合液由白蛋白溶液和蛋白结构转化剂混合而成，蛋白结构转化剂为强氧化剂或强还原剂。

本发明还提出一种具有生物抗污功能的材料，包括改性基材和在改性基材上形成白蛋白涂层，白蛋白为β折叠结构；

优选地，具有生物抗污功能的材料由上述制备方法制备而得。

本发明实施例提供一种具有生物抗污功能的白蛋白涂层的制备方法的有益效果是：通过将白蛋白和蛋白结构转化剂混合，利用强氧化剂或强还原剂将白蛋白的双硫键打断，由α螺旋结构向β折叠结构转变，这赋予了白蛋白与材料的粘附特性，使其能够在几乎所有形状和种类的材料表面进行改性，且与基材表面具有很好的结合强度。

本发明还提供了一种具有生物抗污功能的材料，包括改性基材和在改性基材上形成白蛋白涂层，白蛋白为β折叠结构，此种材料制备方法简便易行，且涂层与基材的结合强度高，具有长期抗凝血性能和抗菌性能，能够抑制血管细胞和组织的粘附。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例中不锈钢材料改性前后的对比图；

图2为本发明实施例中硅胶材料改性前后以及对比例中改性后材料的对比图；

图3为本发明实施例和对比例中制备得到改性材料的抑菌效果图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例提供的具有生物抗污功能的白蛋白涂层的制备方法及具有生物抗污功能的材料进行具体说明。

本发明实施例提供的一种具有生物抗污功能的白蛋白涂层的制备方法，其包括如下步骤：

S1、浸涂混合液的制备

将白蛋白、溶剂和蛋白结构转化剂混合后形成浸涂混合液；其中，蛋白结构转化剂为强氧化剂或强还原剂。利用强氧化剂或强还原剂使白蛋白中的双硫键打断，进而使白蛋白由α螺旋结构向β折叠结构转变，β折叠结构白蛋白具有“一步”自组装的性能。

具体地，在浸涂混合液中，白蛋白的浓度为0.002-90mg/mL，优选为0.1-30mg/mL，更优选为0.5-15mg/mL。白蛋白的用量会影响涂层的抗凝血性能，同时也会影响涂层和材料之间的结合强度。

一般而言，白蛋白包括牛血清白蛋白、人血清白蛋白、乳清白蛋白中的任意一种或多种。采用以上几种白蛋白均适用于利用强还原剂或强氧化剂进行改性，利用产生的β折叠结构赋予白蛋白自组装能力。

具体地，强还原剂包括巯基乙醇、二硫苏糖醇和还原性谷胱甘肽中的一种或多种。强还原剂在浸涂混合液中的浓度为0.002-20 mg/mL，优选为0.1-10mg/mL。强还原剂选择以上几种均能够使白蛋白的α螺旋结构转变为β折叠结构，且反应速率快能够实现涂层的快速成型。强还原剂的用量需要进行控制，防止其用量过多导致白蛋白变性，也防止其用量过少使白蛋白反应不充分。

具体地，强氧化剂包括三价钴盐、氯酸盐、高锰酸钾、过硫酸盐、重铬酸钾、浓硫酸、盐酸、硝酸、氢溴酸、氢碘酸、高氯酸、臭氧、双氧水、氟气、氯气、铋酸钠、高碘酸、高铁酸钠和二氧化铅中的任意一种或多种。以上几种强氧化剂能够使白蛋白发生结构的转变，且转变效率也很快。

进一步地，在浸涂混合液中，三价钴盐、高锰酸钾、重铬酸钾、铋酸钠、过硫酸盐、高碘酸、高铁酸钠和二氧化铅的浓度为0.001-20 mg/mL；优选为0.2-10mg/mL。在浸涂混合液中，浓硫酸、氯酸盐、氢碘酸、硝酸、氢溴酸、高氯酸、盐酸、氯气、双氧水、氟气和臭氧的质量分数为0.02-50％；优选为0.1-30％。同样，强氧化剂的用量需要进行严格的控制，以防止白蛋白的变性或者白蛋白反应不充分。

优选地，浸涂混合液的制备过程是将白蛋白水溶液与蛋白结构转化剂混合而得，采用溶液混合的方式能够使原料更充分的混合，防止局部浓度过高。

S2、材料浸泡改性

将待改性材料在浸涂混合液中浸泡，浸泡时间为2秒-8天，反应温度为0-100℃。优选地，浸泡时间为10-240min，反应温度为 15-45℃。将待改性材料浸泡很短的时间就能够在材料表面形成功能涂层，且涂层与材料之间的结合强度高，适合于工业化应用。

优选地，在将待改性材料在浸涂混合液中反应完后，对改性后的试样进行清洗并干燥。水洗过程有利于去除粘附在材料表面的未反应的原料，提高产品的纯度。

本发明实施例中制备方法的优点：(1)操作方便，无需复杂的反应过程和昂贵的专用设备、化学试剂等，无需进行预处理引入反应官能团，工艺成本低。(2)β折叠结构能够使白蛋白与材料表面很好地粘附，适用于几乎所有形状和材料的材料，适合于推广应用。(3)白蛋白的涂层均匀、厚度易于控制，涂层与材料之间的结合强度高，可以作为长期的抗凝血材料、抗菌材料使用，还具有抑制血管细胞和组织粘附的功能。

本发明实施例还提供了一种具有生物抗污功能的材料，包括改性基材和在改性基材上形成白蛋白涂层，白蛋白为β折叠结构；优选地，具有生物抗污功能的材料由上述制备方法制备而得。该材料具有很好的抗凝血、抗菌性能，涂层与基材之间的结合强度高。

本发明实施例中的改性基材(待改性材料)可以为现有的任何用于成膜的材料，几乎不限于形状和材质。具体可以包括：(1)金属材料：不锈钢、钛及其合金、钴基合金、镍钛合金、镁及其合金、锌及其合金、铁及其合金等。(2)无机材料：二氧化硅、二氧化钛、碳素材料(C)、硅、二氧化钛、氧化钛、氮化钛等无机材料等。(3)高分子材料：涤纶(PET)、聚乙烯醇(PVALC)、聚乙烯(PE)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚氨酯(PU)、聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯酸(PAA)及其衍生物、聚乙二醇及其衍生物等高分子材料等。(4)生物医用微纳米粒子：氧化锌纳米粒子(量子点)、二氧化硅纳米粒子(量子点)、氧化钛纳米粒子(量子点)。(5)天然生物材料：可塑性淀粉基材料(PSM)、海藻酸钠(sodiumalginate)胶原蛋白(collagen)、纤维蛋白(fibrous protein)、透明质酸钠(sodiumhyaluronate)、明胶(gelatin)等。(6)人工合成多肽类水凝胶材料：聚L-谷胺酸、聚L-赖氨酸等。基底材料的种类不限于以上材料，也可以为以上几种材料的混合材料。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供一种具有生物抗污功能的白蛋白涂层的制备方法，其包括以下步骤：

将牛血清白蛋白水溶液与浓硫酸混合后，加水调节至混合液中牛血清白蛋白的浓度为0.002mg/L，浓硫酸的质量分数约为0.02％。

将待改性的聚氯乙烯(PVC)体外循环导管置于混合液中，在0℃的温度条件下浸泡约2s。将样品进行清洗、干燥。

实施例2

将人血清白蛋白水溶液与高氯酸混合后，加水调节至混合液中人血清白蛋白的浓度为90mg/L，高氯酸的质量分数约为50％。

将待改性的镍钛合金下腔静脉滤器置于混合液中，在100℃的温度条件下浸泡约5天。将样品进行清洗、干燥。

实施例3

将乳清白蛋白水溶液与高锰酸钾混合后，加水调节至混合液中乳清白蛋白的浓度为0.1mg/L，高锰酸钾的浓度约为0.001mg/L。

将待改性的硅胶中心静脉导管置于混合液中，在15℃的温度条件下浸泡约10min。将样品进行清洗、干燥。

实施例4

将乳清白蛋白水溶液与重铬酸钾混合后，加水调节至混合液中乳清白蛋白的浓度为30mg/L，重铬酸钾的浓度约为20mg/L。

将待改性的聚砜血液透析器膜置于混合液中，在15℃的温度条件下浸泡约240min。将样品进行清洗、干燥。

实施例5

将乳清白蛋白水溶液与铋酸钠混合后，加水调节至混合液中乳清白蛋白的浓度为0.5mg/L，铋酸钠的浓度约为0.2mg/L。

将待改性的聚砜血液透析器膜置于混合液中，在45℃的温度条件下浸泡约10min。将样品进行清洗、干燥。

实施例6

将乳清白蛋白水溶液与高铁酸钠混合后，加水调节至混合液中乳清白蛋白的浓度为15mg/L，高铁酸钠的浓度约为10mg/L。

将待改性的硅胶中心静脉导管置于混合液中，在35℃的温度条件下浸泡约15min。将样品进行清洗、干燥。

实施例7

将乳清白蛋白水溶液与巯基乙醇混合后，加水调节至混合液中乳清白蛋白的浓度为0.01mg/L，巯基乙醇的浓度约为0.002mg/L。

实施例8

将乳清白蛋白水溶液与二硫苏糖醇混合后，加水调节至混合液中乳清白蛋白的浓度为10mg/L，二硫苏糖醇的浓度约为20mg/L。

实施例9

将乳清白蛋白水溶液与还原性谷胱甘肽混合后，加水调节至混合液中乳清白蛋白的浓度为0.1mg/L，还原性谷胱甘肽的浓度约为0.1 mg/L。

实施例10

将乳清白蛋白水溶液与还原性谷胱甘肽混合后，加水调节至混合液中乳清白蛋白的浓度为10mg/L，还原性谷胱甘肽的浓度约为10 mg/L。

实施例11

将乳清白蛋白水溶液与巯基乙醇混合后，加水调节至混合液中乳清白蛋白的浓度为0.1mg/L，巯基乙醇的浓度约为0.05mg/L。

将不锈钢材料置于混合液中，在25℃的温度条件下浸泡约5 min。将样品进行清洗、干燥。

实施例12

将硅胶材料置于混合液中，在25℃的温度条件下浸泡约5min。将样品进行清洗、干燥。

对比例1

本对比例提供一种在材料表面引入白蛋白的方法，采用共价接枝的方法，具体步骤：(1)将1.2mg的Tris用1mL的蒸馏水溶解，获得pH为8.5左右的缓冲溶液，随后加入2mg的多巴胺，待溶解充分后，加入不锈钢样品，经过12小时的反应，在不锈钢样品表面获得聚多巴胺涂层。(2)将5mg的白蛋白溶解于Tris缓冲液(如上)中，待溶解充分后，加入步骤1中获得的聚多巴胺涂层改性的不锈钢样品进行表面白蛋白共价接枝，接枝12小时后，样品依次用磷酸缓冲液和蒸馏水清洗、干燥，即获得表面共价固定白蛋白的样品。

试验例1

实施例11中对不锈钢材料浸泡之前和浸泡之后的状态进行对比，如图1所示。说明实施例11成功的在不锈钢表面沉积了白蛋白涂层，且该涂层表现出与基底牢固的结合力。

试验例2

将实施例12和对比例1中制备得到的材料进行扫描电镜表征，结果如图2。

由图2可知，本发明实施例在硅胶表面沉积的白蛋白涂层与采用常规共价接枝白蛋白分子的表面相比，本发明白蛋白具有更优异地抑制血小板粘附和激活的功能。通过共价接枝白蛋白的表面，由于白蛋白共价接枝量受限于材料表面引入的反应性官能团密度限制，其表面依然粘附了较多的血小板，且部分血小板依然出现了激活，有些血小板甚至出现了内容物流出的情况。而本发明的白蛋白涂层改性样，其表面血小板不仅数量少，且都呈现为静息态的圆球状。

试验例3

测试实施例12和对比例1中得到产品的抗菌性能，测试结果见图3。

由图3可知，本发明实施例中在硅胶表面沉积的白蛋白涂层与采用常规共价接枝白蛋白分子的表面相比，本发明实施例中形成的白蛋白涂层能够更有效地抑制菌斑的形成，具有更优异地抗菌功能。

试验例4

测试实施例1-10中制备得到材料的抗菌性能，测试方法：将改性后材料在PBS模拟体液中持续浸泡一个月，分别测试改性材料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌率。

结果显示，实施例1-10中得到的材料对金黄色葡萄球菌的抑菌率依次为：91.3％、96.2、99.6、99.8、99.4、99.8、92.2、98.2、99.3 和99.4。对大肠杆菌的抑菌率依次为：89.2％、94.3、99.4、99.7、99.6、 99.4、93.7、99.1、99.5和99.8。

由此可见，本发明实施例中的制备方法制备得到的具有白蛋白涂层的改性材料具有很好的抑菌性能，且反应过程中各组分的用量对抑菌效果有一定影响，采用本发明优选的组分用量时抑菌效果能够进一步增加。

综上所述，本发明提供的一种具有生物抗污功能的白蛋白涂层的制备方法，通过将白蛋白和蛋白结构转化剂混合，利用强氧化剂或强还原剂将白蛋白的双硫键打断，由α螺旋结构向β折叠结构转变，这赋予了白蛋白与材料的粘附特性，与基材表面具有很好的结合强度。

本发明还提供了一种具有生物抗污功能的材料，包括改性基材和在改性基材上形成白蛋白涂层，白蛋白为β折叠结构，此种材料中涂层与基材的结合强度高，具有长期抗凝血性能和抗菌性能，能够抑制血管细胞和组织的粘附。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种具有生物抗污功能的白蛋白涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

利用浸涂混合液在待改性材料上形成涂层；

其中，所述浸涂混合液由白蛋白溶液和蛋白结构转化剂混合而成，所述蛋白结构转化剂为强氧化剂或强还原剂。

2.根据权利要求1所述的具有生物抗污功能的白蛋白涂层的制备方法，其特征在于，在所述浸涂混合液中，所述白蛋白的浓度为0.002-90mg/mL。

3.根据权利要求2所述的具有生物抗污功能的白蛋白涂层的制备方法，其特征在于，所述白蛋白包括牛血清白蛋白、人血清白蛋白、乳清白蛋白中的任意一种或多种。

4.根据权利要求1所述的具有生物抗污功能的白蛋白涂层的制备方法，其特征在于，所述强还原剂包括巯基乙醇、二硫苏糖醇和还原性谷胱甘肽中的一种或多种。

5.根据权利要求4所述的具有生物抗污功能的白蛋白涂层的制备方法，其特征在于，所述强还原剂在所述浸涂混合液中的浓度为0.002-20mg/mL。

6.根据权利要求1所述的具有生物抗污功能的白蛋白涂层的制备方法，其特征在于，所述强氧化剂包括三价钴盐、氯酸盐、高锰酸钾、过硫酸盐、重铬酸钾、浓硫酸、盐酸、硝酸、氢溴酸、氢碘酸、高氯酸、臭氧、双氧水、氟气、氯气、铋酸钠、高碘酸、高铁酸钠和二氧化铅中的任意一种或多种。

7.根据权利要求6所述的具有生物抗污功能的白蛋白涂层的制备方法，其特征在于，所述强氧化剂选择所述三价钴盐、所述高锰酸钾、所述重铬酸钾、所述铋酸钠、所述过硫酸盐、所述高碘酸、所述高铁酸钠和所述二氧化铅中的任意一种或多种时，所述强氧化剂的浓度为0.001-20mg/mL；

所述强氧化剂选择所述浓硫酸、所述氯酸盐、所述氢碘酸、所述硝酸、所述氢溴酸、所述高氯酸、所述盐酸、所述氯气、所述双氧水、所述氟气和所述臭氧中的任意一种或多种时，所述强氧化剂的质量分数为0.02-50％。

8.根据权利要求1所述的具有生物抗污功能的白蛋白涂层的制备方法，其特征在于，所述浸涂混合液的制备过程是将白蛋白水溶液与蛋白结构转化剂混合而得。

9.根据权利要求1所述的具有生物抗污功能的白蛋白涂层的制备方法，其特征在于，将所述待改性材料在所述浸涂混合液中浸泡以形成涂层；

浸泡时间为2秒-8天；

反应温度为0-100℃。

10.一种具有生物抗污功能的材料，其特征在于，包括改性基材和在所述改性基材上形成白蛋白涂层，所述白蛋白为β折叠结构；所述具有生物抗污功能的材料由权利要求1-9中任一项所述的制备方法制备而得。