[发明专利]一种具有酸敏感的抗菌涂层及其制备方法和用途

说明书

本发明提供了一种具有酸敏感的抗菌涂层及其制备方法和用途，属于复合抗菌材料领域。首先提供了一种具有酸敏感的阴离子聚合物，该阴离子聚合物由阴离子单体、阳离子单体为原料聚合而成。这种聚合物在酸性条件下实现电荷的反转，由负电荷变为正电荷。这种转变赋予了由这种阴离子聚合物制备的层层自组装涂层优异的抗菌效果。该涂层是一种具有酸敏感的抗菌涂层，与现有技术相比，优点在于所制备的抗菌涂层在中性条件下不具备抗菌性能，一旦发生细菌感染，特别是形成了生物膜以后，环境的pH值呈酸性时，涂层体现出优异的抗菌效果。这种抗菌涂层可以保证抗菌性能的长效性，使抗菌性能按需表达，避免了抗菌性能的不必要“浪费”。

技术领域

本发明属于复合抗菌材料领域，具体涉及一种具有酸敏感的抗菌涂层及其制备方法和用途。

背景技术

随着人口老龄化加快、交通事故频发和生活水平的提高，全球对于先进生物材料的需求正在持续增长，尤其是骨科内植物，骨科内植物是指用以替代、支撑骨缺损以及置换关节的植入性医疗器械，常见的骨科内植物包括接骨螺钉、接骨板、人工关节、牙科种植体等，每年相关的手术量非常巨大。仅2018年，我国髋膝人工关节置换的手术量就高达70万例，牙种植体植入超过200万颗。其中应用最广泛的材料是钛金属及其合金，具有良好的生物相容性、力学性能和耐腐蚀性等特点，备受青睐。但随着时间的推移，钛基内植物的失效问题逐渐凸显了出来。对牙科种植体和髋关节置换内植物的相关研究显示，失败率可以达到5-20％，全球每年有至少数十万患者受到影响。而内植物一旦失效，通常需要一次或多次额外手术才能治愈，不仅给患者精神和躯体带来巨大痛苦，而且会显著增加其经济负担。

钛基内植物植入体内后面对的主要挑战是细菌感染，细菌感染是由于细菌在内植物与宿主骨之间的界面聚集生长，分泌主要成份为蛋白质、多糖和DNA的胞外聚合物，从而形成生物被膜，使得这些细菌比体内的浮游态细菌更难根除。因此，内植物表面的生物被膜一旦形成，造成的感染很难通过常规口服或者注射抗生素进行治疗。

曾有人尝试在内植物上构建抗菌表面，以减少内植物感染。目前大部分抗菌表面按照其作用机理可分为抗粘附表面和杀菌表面。抗粘附表面主要通过优化设计材料的物理拓扑结构、亲疏水性能及化学基团等得以实现。材料表面的物理拓扑结构提高了其表面粗糙度和表面能，可以显著抑制细菌在其表面的粘附和生长。利用聚合物的亲水性能，可有效地阻止细菌在其表面的粘附。采用表面引发原子转移自由基聚合在钛基表面构建亲水的聚合物刷，显著提高了钛基的抗菌性能。而杀菌表面则是通过在表面固定杀菌剂，如聚阳离子等聚合物，抗生素，金属离子等，杀死粘附在表面的细菌。

虽然围绕钛基内植物的表面改性已经发表了大量的研究成果，但是，目前已构建的各类功能表面大多数仍难以实现临床转化，主要的原因包括：(1)抗生素与银离子难以固定在内植物表面，同时抗生素会导致细菌耐药性，而银离子因为潜在的细胞毒性很难获得药监系统的批准。(2)合成涂层的抗菌活性难以长期保持，需要发挥作用时或已失效。在内植物植入人体后，合成涂层的活性成分会逐渐降解和释放，当其在周围环境中的浓度降低至最小抑菌浓度以下时，内植物表面将再次变得易于被细菌感染；大部分功能涂层是通过物理和/或化学方式构建，植入体内后容易受各种理化因素影响而失效。(3)内植物表面抗菌功能构建后的“闲置浪费”问题。表面改性的原料及构建费用较高，程序复杂，临床转化还需要相应批量处理的设备和人员，必将提高医疗器械厂家生产成本；感染的发生率有限，大部分患者不会应用到相关功能，并非“必选项”；目前尚无有效“按需”表达的设计。

因此，研究可以长期、稳定固定于钛基内植物表面，无毒且具有良好抗菌性和生物相容性的原料，构建可“按需表达”生物活性的涂层，对于实现其临床转化具有重要的意义。

发明内容

为了克服现有技术中遇到的问题，本发明提供了一种具有酸敏感的抗菌涂层及其制备方法和用途。本发明研发了pH值驱动正负电荷转换的聚合物，用以遮蔽抗菌聚合物的正电荷，暂时隐藏其抗菌功能；在细菌感染条件下，通过pH值的梯度变化诱发抗菌聚合物的电荷反转，“按需”表达内植物表面的抗菌功能。