靜脈導管用的涂層改性硅橡膠材料制備及應用效果

趙 素,王茜茜,姚 瑤,王 婷

(瀘州市人民醫院,四川 瀘州 646000)

靜脈導管作為現代最常用的一種介入型醫用器械,對材料的要求也更加嚴苛。硅橡膠由于其良好的生物相容性,高度的生物惰性,超疏水和柔軟易變形等性質,是較為重要的導管制作材料之一。但由于硅橡膠極易吸附細菌的特性,當其作為植入性材料使用時,易在人體內造成細菌感染,造成一些不好的結果。這就使得硅橡膠的使用受到了很大的限制。尋找一種適合的醫用導管材料是目前醫學鄰域較為重要的研究,基于此,試驗以王立蓉[5]論文中的方法為參考,制備了一種新型功能涂層對硅橡膠進行改性,提升硅橡膠的抗菌性和生物安全性。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料:丙酮(AR),前衍化學;無水乙醇(AR),銘信化工;硅橡膠(生物級 達澤希新材料 );TRIS(AR),德諾弘成化工;稀鹽酸(AR),漢羽化工;戊二醛(AR),翰月化工;乙酸(AR),乾耀科技;殼聚糖(AR),亞圖生物科技;多巴胺(AR),凱新生物;硫酸銅(AR),眾成化工。

主要設備:TP-50C型搖床(靳瀾儀器);ZEM15型掃描電鏡(澤鏡科技);HM-3020型紅外光譜儀(恒美電子科技);6880型ICP-MS(美析儀器);YK-SY96A 型酶標儀(云科智能科技)。

1.2 試驗方法

1.2.1硅橡膠預處理

(1)提前將硅橡膠制成面積為1×1 cm,厚度為2 mm的片狀,然后通過去離子水進行超聲清洗,清洗時間和次數分別為20 min和 2次。依次用丙酮和無水乙醇進行超聲清洗,清洗時間分別為5、20 min,清洗次數均為2次;

(2)將在100 mL蒸餾水中溶入0.121 14 gTRIS,通過HCl調節溶液pH值至8.5,得到濃度為1 mol/L的 Tris-HCI 溶液;

(3)將20 mg多巴胺粉末溶于10 mL“步驟(2)”配制溶液中,充分攪拌混合均勻,得到質量濃度為2 mg/mL的多巴胺溶液;

(4)將硅橡膠放入“步驟(3)”制備的多巴胺溶液中浸泡,然后在TP-50C型搖床的作用下進行振蕩,振蕩時間為48 h。倒出反應液后對產物進行超聲清洗3 min;

(5)在質量分數2.5%的戊二醛溶液中浸泡樣品1 d,沖洗干凈后自然晾干。

1.2.2功能涂層的制備

(1)將0.602 5 g殼聚糖溶入40 mL質量分數2%的乙酸水溶液中;

(2)在5 mL蒸餾水中溶入0.060 7 g硫酸銅粉末,得到質量分數1%的硫酸銅溶液;

(3)按照不同的體積比混合殼聚糖溶液和硫酸銅溶液,并調節溶液pH值至4.5,具體配比如表1所示;

表1 功能涂層配比設計

(4)將制備涂層通過浸提法覆涂在硅橡膠材料上,自然晾干后置于電熱鼓風干燥箱內烘干,烘干溫度和時間分別為40 ℃和6 h。

1.3 性能測試

1.3.1微觀形貌

通過掃描電鏡觀察材料的微觀形貌。

1.3.2紅外光譜

通過紅外光譜儀分析材料的官能團。

1.3.3抗菌性測試

參照ISO 10993—5:2009標準,進行抗菌性能測定[6-7]。

抗菌率表達式為:

N=C×d×1000/1

(1)

R=(Nc-Nm)/Nc×100%

(2)

式中:N為樣品表面菌液濃度,CFU/mL;R為抗菌率,%;Nc為對照組平均菌落數;Nm為實驗組平均菌落數;C為每種樣品表面平均菌落數;d為稀釋倍數。

1.3.4抗菌持久性測試

參照GB/T 16886.12—2005/ISO10993—12:2005進行試驗[8-9]。

1.3.5細菌粘附試驗

將樣品與50 μL濃度為107CFU/mL的菌液共同培養,培養溫度和時間分別為37 ℃和24 h。取出樣品并用PBS進行清洗后,通過1 mL質量分數4%的多聚甲醛溶液進行固定,固定溫度和時間分別為4 ℃和4 h。經過乙醇對固定后的樣品進行脫水,然后常溫放置過夜,噴金后通過掃描電鏡對細菌粘附情況進行觀察。

1.3.6銅離子溶出試驗

參照ISO 10993—12 標準進行試驗[10]。先將樣品置于質量分數0.9%氯化鈉溶液中浸泡一段時間,然后通過ICP-MS6880型電感耦合等離子體質譜儀對浸出液中銅離子濃度進行測試。

1.3.7細胞毒性試驗

通過細胞相對增殖率(RGR)評價材料的細胞毒性,一般來說,RGR超過75%即可認定該材料符合植入標準要求[11-12]。

細胞相對增值率表達式:

RGR=OD實/OD對×100%

(3)

式中:RGR為細胞相對增殖率,%;OD實、OD對為實驗組、對照組酶標儀在450 nm 波長的 OD 值。

1.3.8細胞遷移試驗

通過Transwell 實驗對細胞遷移能力進行評價[13]。

2 結果與討論

2.1 官能團結構表征

圖1為紅外光譜結果。

圖1 紅外光譜測試結果

由圖1可知,CS/Cu復合功能涂層中,在1 636.3 cm-1和 636.6 cm-1處存在屬于CS的NH2特征峰。同時,羥基的吸收峰發生紅移,這是由于殼聚糖與銅離子發生配位反應后,銅取代部分羥基上的氫引起的。而C—O 鍵的振動吸收峰發生藍移,這是C—O—Cu 鍵合引起的官能團變化[14-17]。綜上,銅離子與殼聚糖上的活性基團成功發生配位反應,即成功制備出了CS/Cu復合功能涂層。

2.2 抗菌性能研究

2.2.1抗菌性能測試結果

圖2為抗菌性能測試結果。

(a)接觸24 h后抗菌作用結果

由圖2可知,單一CS涂層具備一定的抗菌效果,抗菌率約為65%。而CS/Cu復合功能涂層對兩種細菌抗菌率均達到了95%以上,表現出良好的抗菌效果。

2.2.2抗菌持久率測試結果

將樣品經過生理鹽水浸泡不同時間后,再與金黃色葡萄球菌共同培養1 d,表征涂層的抗菌持久率,結果見圖3。

(a)抗菌作用結果

由圖3可知,經過生理鹽水浸泡后,CS/Cu復合功能涂層的抗菌性幾乎不受影響,對金黃色葡萄球菌的抗菌率仍舊超過95%。這說明生理鹽水浸泡不會對CS/Cu復合功能涂層的抗菌性產生影響,表現出較強的抗菌持久性。

2.2.3銅離子溶出試驗結果

通過浸提液中銅離子累積釋放曲線對銅離子溶出情況進行表征,結果見圖4。

圖4 銅離子溶出情況

由圖4可知,隨浸泡時間的增加,浸提液中銅離子的釋放量也有一定增加。同時還從圖4中觀察到,當CS/Cu復合功能涂層中含銅量較多時,銅離子的釋放量也隨之增加。當CS/Cu復合功能涂層中CS∶Cu比例為100∶1時,銅離子溶出量基本不變。而CS∶Cu比例為10∶1時,28 d銅溶出量超過220 mg/L。

2.3 生物安全性試驗結果

由于試驗制備的材料主要用于靜脈導管,因此需要對其生物相容性和生物穩定性進行研究,結果見圖5。

(a)涂層與 HUVECs 細胞共同培養

由圖5(a)可知,涂層與 HUVECs 細胞共同培養后,細胞濃度并未發生較明顯的變化,這就說明內皮細胞可以很好的作用于涂層表面,也就是說制備的涂層表現出良好的細胞相容性,并未表現出明顯的細胞毒性。由圖5(b)、(c)可觀察到,浸提液與 HUVECs 和 HUSMCs 細胞共同培養后,細胞濃度并沒有出現較大的變化,這就說明涂層浸提液中的銅離子不對內皮細胞產生明顯的抑制或者促進作用。以上結論證明了試驗研究的3種配比功能涂層浸提液中,銅離子濃度均在生物安全范圍內,可以作為生物植入材料使用[18-20]。

3 結語

(1)紅外光譜結果表明,CS/Cu復合功能涂層中,銅取代部分羥基上的氫引起羥基的吸收峰發生紅移,C—O 鍵特征峰藍移,證明成功制備出CS/Cu復合功能涂層;

(2)抗菌試驗結果表明,CS/Cu復合功能涂層對對細菌的抑菌率超過95%,抗菌效果良好;

(3)生理鹽水浸泡后,CS/Cu復合功能涂層的抗菌性幾乎不受影響,對金黃色葡萄球菌的抗菌率仍舊超過95%,表現出良好的抗菌持久性;

(4)CS/Cu復合功能涂層表面附著的細菌數量明顯減少,且細菌的分布較為零散。同時,部分細菌出現皺縮,塌陷,細胞壁破口的現象。證明銅離子能很好的抑制細菌的生長,表現出很好的抑菌性;

(5)當CS/Cu復合功能涂層中CS∶Cu比例為100∶1時,銅離子溶出量變化較小。