一种具有抗细菌粘附和光诱导杀菌性能的医用气管导管制备方法.pdf

本发明提供一种具有抗细菌粘附和光诱导杀菌性能的医用气管导管制备方法：它包括TiO2及复合氧化物镀膜液的制备及镀膜液在PVC气管导管内表面的成膜。即在具有光催化活性的晶态半导体氧化物溶胶或悬浮液中，加入有机高分子粘结剂混溶形成悬浆镀膜液，而后将此镀膜液均匀镀在经过表面改性的气管导管内壁表面形成结合强度高、抗菌性能优良和光照杀菌性能良好的薄膜。本制备技术可使医用PVC气管导管具有抗细菌黏附及长效稳定的光诱导杀菌性能。

1.  一种具有抗细菌粘附和光诱导杀菌性能的医用气管导管制备方法，其特征在于：在具有光催化活性的晶态半导体氧化物溶胶或悬浮液中，加入有机高分子粘结剂形成悬浆镀膜液，将此镀膜液均匀镀在经过表面改性的气管导管内壁表面形成一层结合强度高、抗菌性能优良和光照杀菌性能良好的薄膜，制备成具有抗细菌粘附和光诱导杀菌性能的医用气管导管。

2.  根据权利要求1所述的具有抗细菌粘附和光诱导杀菌性能的医用气管导管制备方法，其特征在于：所述制备的具体步骤如下：
(1)制备具有光催化活性的晶态半导体氧化物溶胶或悬浮液：将具有光催化活性的半导体氧化物溶胶在反应釜中90～200℃密闭低温热处理2～30小时使溶胶转变成为晶态的半导体氧化物溶胶；所述具有光催化活性的半导体氧化物悬浮液的制备为：将具有光催化活性的半导体氧化物粉末细化成200目以上的小颗粒，而后将其加入去离子水中搅拌分散制得悬浮液；
(2)悬浆镀膜液制备：将所述具有光催化活性的晶态半导体氧化物溶胶或悬浮液与有机高分子粘结剂按照体积比为1～10∶1混合，强烈搅拌使其分散成均匀的白色悬浆状，制备成悬浆镀膜液；
(3)镀膜处理：将表面改性后的气管导管浸泡在所述悬浆镀膜液中，浸润完全后取出，甩去多余悬浆镀膜液后晾干，在50～150℃烘干1～24小时，使镀膜液均匀镀在经过表面改性的气管导管内壁表面形成一层结合强度高、抗菌性能优良和光照杀菌性能良好的薄膜，制备成具有抗细菌粘附和光诱导杀菌性能的医用气管导管。

3.  根据权利要求2所述的具有抗细菌粘附和光诱导杀菌性能的医用气管导管制备方法，其特征在于：所述的晶态半导体氧化物溶胶或悬浮液中的固体含量为0.1～10.0wt％。

4.  根据权利要求3所述的具有抗细菌粘附和光诱导杀菌性能的医用气管导管制备方法，其特征在于：所述具有光催化活性的半导体氧化物溶胶为TiO₂胶体溶液或TiO₂复合氧化物胶体溶液；所述TiO₂复合氧化物由TiO₂与ZnO、SiO₂的一种或两种组成，按照溶胶-凝胶法制备成具有光催化活性的半导体氧化物溶胶。

5.  根据权利要求2所述的具有抗细菌粘附和光诱导杀菌性能的医用气管导管制备方法，其特征在于：所述制备具有光催化活性的半导体氧化物悬浮液中的半导体氧化物粉末为含锐钛矿型的TiO₂粉末或者TiO₂与ZnO、SiO₂的一种或两种组成的TiO₂复合氧化物粉末。

6.  根据权利要求4或5所述的具有抗细菌粘附和光诱导杀菌性能的医用气管导管制备方法，其特征在于：所述TiO₂复合氧化物或TiO2复合氧化物粉末中可掺杂过渡金属离子、稀土元素离子或其他的N、S、P非金属离子。

7.  根据权利要求1或2所述的具有抗细菌粘附和光诱导杀菌性能的医用气管导管制备方法，其特征在于：所述的有机高分子粘结剂为医用PVC颗粒在有机溶剂中的溶解液，有机高分子粘结剂中PVC颗粒的浓度为0.5-5.0wt％。

8.  根据权利要求7所述的具有抗细菌粘附和光诱导杀菌性能的医用气管导管制备方法，其特征在于：所述有机溶剂是指四氢呋喃、三氯甲烷或环己烷中的一种。

9.  根据权利要求1或2所述的具有抗细菌粘附和光诱导杀菌性能的医用气管导管制备方法，其特征在于：所述气管导管的表面改性为：将气管导管浸泡在所述PVC颗粒溶解的有机溶剂中5～60秒。

一种具有抗细菌粘附和光诱导杀菌性能的医用气管导管制备方法
技术领域
本发明属于医用生物材料领域，具体地讲，更涉及一种在医用PVC气管导管内壁表面负载具有抗细菌粘附和光诱导杀菌性能的光催化薄膜的技术。
背景技术
随着医学的不断发展，生物材料的应用已日益普遍，细菌黏附在生物材料表面形成生物被膜而导致的生物材料相关性感染成为一个越来越重要的问题。高分子材料人工器官和部件在医疗上的广泛应用，增加了细菌入侵人体的途径。其中，PVC气管导管引起的呼吸道感染是一个典型的例子。长时间置入聚氯乙烯(PVC)气管导管是导致院内呼吸道感染的重要原因，由此导致的呼吸机相关肺炎(Ventilator associated pneumonia，VAP)，发生率18％～60％，病死率超过50％。对于气管切开通气患者，细菌感染发生率更高。因此，生物材料表面抗菌性能的研究已经成为当前研究和开发的热点。
目前，人们主要通过两种方式进行抗菌：一是对材料表面进行改性，改变细菌与材料表面之间的理化性能，阻止细菌黏附；二是通过静电作用使菌体被吸附到带正电荷的材料表面，通过干扰细菌细胞膜的组成取得杀菌效果。已证实在生物材料表面涂布某些抗菌素可以降低生物材料相关感染的发生率。但是，也存在一些问题，如可供选择的抗菌药物有限，药物的活性位点又常常是与生物材料共价结合的位点，生物材料一旦附上抗菌药物便不能进行消毒，由于对耐药菌株的诱导作用抗菌药物涂层的有效期常常比较短，使得抗菌药物涂层的方式受到很大限制，其他的可供选择的替代品，如银离子，也存在细胞毒性、易变色、性能不稳定、成本稍高等多种问题。
因此，开发广谱高效、毒性小，可重复利用的抗菌生物材料有着重要的意义。以TiO₂为代表的半导体光催化材料，由于其具有无毒、抗菌效果持久和化学性稳定等优势。这些半导体光催化剂在波长小于385nm的紫外光照射下，价带上产生的空穴(h⁺)、羟基自由基(OH·)和导带上产生的超氧离子(O^2-)具有很强的氧化能力，能通过一系列氧化反应使降解有机物并将其矿化成CO₂和H₂O，也能破坏细菌和病毒的分子结构，导致它们失去生物活性甚至降解成小分子直至CO₂和H₂O。此外，研究还发现经光照活化后，TiO₂基的光催化材料表面的抗菌性能也能保持一定的时间，在这个时间内细菌仍然难于在表面粘附和繁殖。根据这一原理，若将如TiO₂一类的半导体光催化材料附着在气体导管表面制成复合材料，这可赋予材料光催化活性，使导管表面具有抗菌和光诱导灭菌性能，从而降低或减少使用过程中细菌在表面的生长，并在光照下杀灭细菌，从而避免导管使用过程中的细菌感染。这种材料在医疗领域具有重要的实际应用。光催化剂在金属、陶瓷和玻璃等能耐高温处理的材料表面的成膜已经有大量报道，但是在高分子材料表面，特别是透明的PVC导管表面的成膜，由于基底材料不能耐高温处理难于按照常规途径得到结合力强以及性能优良的薄膜。解决这一问题使实现光催化技术在医疗上应用的关键。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有抗细菌粘附和光诱导杀菌性能的医用气管导管制备方法，在PVC气管导管材料表面覆上一层TiO₂氧化物或TiO₂与其他氧化物混合组成的复合氧化物薄膜，以改变PVC表面的亲水性并赋予其光催化性能，利用薄膜的光致催化活性达到抑菌性粘附、滋生和生物被膜的形成，并在光照下杀灭细菌，从而使得PVC气管导管具有抗细菌粘附和光诱导杀菌功能。
本发明的具有抗细菌粘附和光诱导杀菌性能的医用气管导管制备方法为：在具有光催化活性的晶态半导体氧化物溶胶或悬浮液中，加入有机高分子粘结剂形成悬浆镀膜液，将此镀膜液均匀镀在经过表面改性的气管导管内壁表面形成一层结合强度高、抗菌性能优良和光照杀菌性能良好的薄膜，制备成具有抗细菌粘附和光诱导杀菌性能的医用气管导管。
本发明主要解决两个问题，一是如何不经热处理获得具有晶态氧化物的薄膜，二是如何提高薄膜在医用导管表面的结合强度。由此体现出本发明的显著优点在于：
(1)溶胶事先经过低温密闭热处理可在溶胶中形成晶态氧化物，此溶胶镀膜液涂覆在医用导管表面后形成的薄膜不需经过高温处理即可制得晶态氧化物薄膜，从而使其具备良好的光照抗菌性能。
(2)利用在镀膜液中掺杂医用导管组成相同的PVC颗粒，能使镀膜液能较好地与PVC导管表面相亲和，从而无需高温处理即可获得结合良好的功能性薄膜。
(3)与其他类型的抗菌技术相比，本发明制备出的具有抗细菌粘附和光诱导杀菌性能的功能性薄膜，其性能稳定性好。
具体实施方式
制备的具体步骤如下：
(1)制备具有光催化活性的晶态半导体氧化物溶胶或悬浮液：将具有光催化活性的半导体氧化物溶胶在反应釜中90～200℃密闭低温热处理2～30小时使溶胶转变成为晶态的半导体氧化物溶胶；所述具有光催化活性的半导体氧化物悬浮液的制备为：将具有光催化活性的半导体氧化物粉末细化成200目以上的小颗粒，而后将其加入去离子水中搅拌分散制得悬浮液；
(2)悬浆镀膜液制备：将所述具有光催化活性的晶态半导体氧化物溶胶或悬浮液与有机高分子粘结剂按照体积比为1～10∶1混合，强烈搅拌使其分散成均匀的白色悬浆状，制备成悬浆镀膜液；
(3)镀膜处理：将表面改性后的气管导管浸泡在所述悬浆镀膜液中，浸润完全后取出，甩去多余悬浆镀膜液后晾干，在50～150℃烘干1～24小时，使镀膜液均匀镀在经过表面改性的气管导管内壁表面形成一层结合强度高、抗菌性能优良和光照杀菌性能良好的薄膜，制备成具有抗细菌粘附和光诱导杀菌性能的医用气管导管。
所述的晶态半导体氧化物溶胶或悬浮液中的固体含量为0.1～10.0wt％。
所述具有光催化活性的半导体氧化物溶胶为TiO₂胶体溶液或TiO₂复合氧化物胶体溶液；所述TiO₂复合氧化物由TiO₂与ZnO、SiO₂的一种或两种组成，按照溶胶-凝胶法制备成具有光催化活性的半导体氧化物溶胶。
所述制备具有光催化活性的半导体氧化物悬浮液中的半导体氧化物粉末为含锐钛矿型的TiO₂粉末或者TiO₂与ZnO、SiO₂的一种或两种组成的TiO₂复合氧化物粉末。
所述TiO₂复合氧化物或TiO₂复合氧化物粉末中可掺杂过渡金属离子、稀土元素离子或其他的N、S、P非金属离子。
所述的有机高分子粘结剂为医用PVC颗粒在有机溶剂中的溶解液，有机高分子粘结剂中PVC颗粒的浓度为0.5-5.0wt％。
所述有机溶剂可以是四氢呋喃、三氯甲烷或环己烷中的一种。
所述气管导管的表面改性为：将气管导管浸泡在所述PVC颗粒溶解的有机溶剂中5～60秒。
具体以TiO₂及复合氧化物TiO₂与ZnO、SiO₂的一种或两种组成的TiO₂复合氧化物为镀膜液的制备及镀膜液在PVC气管导管内表面的成膜，说明本发明。
具体制备步骤如下：
一、TiO₂及复合氧化物镀膜液的制备
TiO₂及复合氧化物镀膜液的制备有两种方法：一是采用常规方法制得的TiO₂及其复合氧化物胶体溶液为前驱体，二是用商品TiO₂的粉末及其复合氧化物为前驱体。
(1)当前驱体为溶胶时，首先将用已知技术制备出的TiO₂及其复合氧化物溶胶在一个带有聚四氟内衬的不锈钢高压反应釜中和在一定温度下进行密闭热处理，使溶胶转变成为含锐钛矿型TiO₂的晶态溶胶。这里，TiO₂复合氧化物由TiO₂与ZnO、SiO₂的一种或两种组成。此半导体复合氧化物中还可掺杂过渡金属离子、稀土元素离子或其他的N、S、P非金属离子。反应釜热处理温度为90～200℃，处理时间为2～30h。然后，将PVC颗粒溶解于有机溶剂中，制得有机高分子粘结剂。其中，有机溶剂可以是四氢呋喃(THF)、三氯甲烷、环己烷等可溶解PVC的有机试剂，PVC的含量为在0.5～5wt％。最后，将晶化的TiO₂或其复合氧化物溶胶或悬浮液与PVC有机高分子粘结剂按1～10∶1的比例混合，剧烈搅拌使其分散成均匀的白色悬浆状，制得含有PVC的TiO₂及其复合氧化物悬浆镀膜液。
(2)当前驱体为含锐钛矿型的TiO₂及其复合氧化物粉末时，先将粉末细化成200目以上的小颗粒，而后将其加入去离子水中搅拌分散制得悬浮液，最后将此悬浮液与PVC有机高分子粘结剂按1～10∶1的比例混合，强烈搅拌使其分散成均匀的白色悬浆状，制得含有PVC的TiO₂及其复合氧化物悬浆镀膜液。
二.镀膜液在PVC气管导管内表面的成膜
将医用气管导管浸泡在可使其溶解的有机溶剂如四氢呋喃(THF)、三氯甲烷或环己烷等有机溶剂中进行表面改性，快速取出后将其浸泡在镀膜液中，浸润完全后取出，甩去多余镀膜液后凉干，50～150℃烘干1～24小时。
实施例1 有机高分子粘结剂的制备
称取20克PVC颗粒溶解于1000mL四氢呋喃溶剂中，搅拌溶解制得以四氢呋喃为溶剂的PVC有机高分子粘结剂。
实施例2：TiO₂溶胶型镀膜液的制备
首先，将按常规溶胶—凝胶法制得的TiO₂溶胶200mL(TiO₂固体含量为3.0wt％)置于一密闭的带有聚四氟内衬的不锈钢高压反应釜中150℃热处理2小时，制得晶化的TiO₂溶胶。而后将此溶胶80mL与按实施例1制得的有机高分子粘结剂20mL混合，剧烈搅拌后成悬浮态的TiO₂溶胶型镀膜液。在此镀膜液中，TiO₂固体含量为2.4wt％。
实施例3：TiO₂—ZnO复合氧化物溶胶型镀膜液的制备
首先，量取0.075M的Zn(AC)₂·2H₂O甲醇溶液100mL，于65℃强烈搅拌下慢慢滴加氨水至pH＝8，再恒温搅拌2h，制得ZnO溶胶。而后，将此ZnO溶胶20mL与80mL按常规溶胶—凝胶法制得的TiO₂溶胶(TiO₂固体含量为3.0wt％)混合搅拌制得TiO₂—ZnO复合氧化物溶胶。此溶胶而后按实施例2中的方法进行晶化处理，制得晶化的TiO₂—ZnO复合氧化物溶胶。最后，将此晶化复合溶胶80mL与20mL实施例1制得的有机高分子粘结剂混合均匀，制得TiO₂—ZnO复合氧化物溶胶型镀膜液。在此镀膜液中，TiO₂固体含量为1.92wt％，ZnO固体含量为0.12wt％。
实施例4：TiO₂粉末型镀膜液的制备
称取2.5克商品TiO₂粉末(工业产品P25，德国产)加入100mL去离子水中，搅拌至悬浆状，而后加入20mL按实施例1制得的有机高分子粘结剂，剧烈搅拌后两者混合均匀制得悬浮态的TiO₂粉末型镀膜液。此镀膜液中TiO₂固体含量为2.0wt％。
实施例5 TiO₂—ZnO复合氧化物粉末型镀膜液的制备
首先，量取0.075M的Zn(AC)₂·2H₂O甲醇溶液100mL，于65℃强烈搅拌下慢慢滴加氨水至pH＝8，再恒温搅拌2h，制得ZnO溶胶。而后，称取2.5g P25 TiO₂粉末，加至100mL去离子水中剧烈搅拌2h，至溶液呈均匀的白色悬浆状TiO₂悬浮液。将制得的ZnO溶胶20mL与制得的TiO₂悬浮液80mL混合，经剧烈搅拌后制得TiO₂—ZnO复合氧化物悬浮液。最后，在此制得的TiO₂—ZnO复合氧化物悬浮液中加入20mL按实施例1制得的有机高分子粘结剂，经剧烈搅拌2小时后制得TiO₂—ZnO复合氧化物粉末型镀膜液。此镀膜液中TiO₂固体含量为1.6wt％，ZnO固体含量为0.12wt％。
实施例6：医用气管导管内壁表面膜层的涂覆
截取长度为5cm的医用气管导管(内径8mm)3段，将其浸泡在四氢呋喃溶剂中，10秒后取出。而后将其浸泡在按实施例2中制得的TiO₂溶胶型镀膜液中，然后缓慢提拉出液面并轻甩以去除多余镀膜液，先空气中凉干再在60℃烘干12小时。该样品记为Ts。
医用气管导管按上述相同方法处理分别浸泡在按实施例3、4和5制得的TiO₂—ZnO复合氧化物溶胶型镀膜液、TiO₂粉末型镀膜液和TiO₂—ZnO复合氧化物粉末型镀膜液中，浸润完全后取出，同法去除多余镀膜液后凉干，60℃烘干12小时，制得镀有不同膜层的气管导管样品。分别记为TZs、Tp和TZp。
实施例7：镀膜后医用气管导管的抗细菌粘附性能
为了方便检测上述气管导管样品的抗细菌粘附和光诱导杀菌性能，将上述实施例6制得的Ts、TZs、Tp和TZp样品沿纵面剪开制成5cm×1.6cm的平面状样品，在实验前启用紫外灯(Philips 8W荧光紫外灯管，主波长365nm)预先照射5分钟活化。同时，以没有镀膜的气管导管样品为空白样品。抗细菌粘附性能测试按以下步骤进行：将样品置于无菌平皿中，吸取0.5mL的大肠杆菌菌液于样片上，在37℃恒温箱培养18h，取出样片，用无菌PBS(磷酸盐缓冲液，pH＝7.2～7.4)冲洗9次，除去假黏附细菌，接着将样片放入无菌试管中，加10mL生理盐水，超声洗脱5min，最后取0.1mL涂布于琼脂平板上培养18h。用菌落平板计数法计取菌落数目，即样品表面的细菌黏附数。最后，样品的抗细节黏附性能用细菌黏附率表示：
细菌黏附率＝样品细菌黏附数/空白样品表面细菌黏附数×100％。
表1为不同样品表面的细菌黏附率。与空白PVC片相比，所有镀膜样品都表现出明显的抗黏附性能，其中以TiO₂粉末型镀膜液制得的样品TZs黏附率最低，抗黏附性能最好。
表1 不同样品表面的细菌黏附率