聚氨酯抗菌生物材料的研究进展.docx

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聚氨酯抗菌生物材料的研究进展

万方数据

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聚氨酯抗菌生物材料的研究进展

作者：

温志国，董声雄，李春艳，WenZhiguo，DongShengxiong，LiChunyan

作者单位：

温志国,WenZhiguo（福州大学化学化工学院,福州,350108），董声雄,DongShengxiong（福州大学化学化工学院,福州,350108;宁德师范学院化学与环境科学系,宁德,352100），李春艳,LiChunyan（福建医科大学药学院,福州,350108）

刊名：

化工新型材料

英文刊名：

NEWCHEMICALMATERIALS年，卷（期）：

2010，38（11）被引用次数：

0次

1.周箭;杨辉;陈日新组装型复合抗菌聚氨酯的抗菌性能[期刊论文]-稀有金属材料与工程2004（增刊）

2.钟达飞;谢伟;鲍俊杰抗菌聚氨酯研究进展[期刊论文]-化学推进剂与高分子材料2007（03）

3.詹媛媛;李莉;钟达飞两种抗菌型水性聚氨酯--季铵盐型与三丹油型的比较[期刊论文]-中国胶粘剂2008（07）

4.钟达飞;谢伟;鲍俊杰抗菌水性聚氨酯的合成及其性能研究[期刊论文]-涂料工业2007（09）

5.戈进杰;蔡美琴;施兴海新型降解型抗菌聚氨酯材料的制备[期刊论文]-高分子材料科学与工程2003（05）

6.PhaneufMD;BideMJ;SzycherMDevelopmentofinfectionresistantpolyurethanebiomaterialsusingtextiledyeingtechnology2001（06）

7.JonesDS;GarvinCP;DowlingDExaminationofsurfacepropertiesandinvitrobiologicalperformanceofamorphousdiamond-likecarbon-coatedpolyurethane2006（02）

8.程莉萍;胡英;郑昌琼聚氨酯抗菌创伤敷料的制备及其灭菌效果的研究[期刊论文]-生物医学工程研究2004（04）

9.SimmonsA;PadsalgikarAD;FerrisLMBiostabilityandbiologicalperformanceofaPDMS-basedpolyurethaneforcontrolleddrugrelease2008（20）

10.BasakP;AdhikariB;BanerjeeISustainedreleaseofantibioticfrompolyurethanecoatedimplantmaterials2009（Suppl1）

11.WooGLY;YangML;YinHQBiologicalcharacterizationofanovelbiodegradableantimicrobialpolymersynthesizedwithfluoroquinolones2002（01）

12.WooGLY;MittelmanMW;SanterreJPSynthesisandcharacterizationofanovelbiodegradableantimicrobialpolymer2000（12）

13.GrapskiJA;CooperSLSynthesisandcharacterizationofnon-leachingbiocidalpolyurethanes

2001（16）

14.罗建斌;李洁华;马晨硬段侧链含有脂肪族双季铵盐的聚氨酯的表面性质及抗菌性能分析[期刊论文]-中国生物医学工程学报2008（05）

15.CrisanteF;FrancoliniI;BellusciMAntibioticdeliverypolyurethanescontainingalbuminandpolyallylaminenanoparticles2009（4-5）

16.PiozziA;FrancoliniI;OcchiapertiLAntimicrobialactivityofpolyurethanescoatedwithantibiotics:

anewapproachtotherealizationofmedicaldevicesexemptfrommicrobialcolonization

2004（1-2）

17.FrancoliniI;D'IlarioL;GuaglianoneEPolyurethaneanionomerscontainingmetalionswithantimicrobialproperties:

Thermal,mechanicalandbiologicalcharacterization

18.罗建斌;王鹏;谭鸿具有多重抗菌性能的聚氨酯的合成及表征[期刊论文]-四川大学学报（工程科学版）

2005（06）

19.YangSH;LeeYJ;LinFChitosan/poly（vinylalcohol）blendinghydrogelcoatingimprovesthesurfacecharacteristicsofsegmentedpolyurethaneurethralcatheters2007（02）

1.期刊论文付建喜.周延清.王瑾晔.FuJian-xi.ZhouYan-qing.WangJin-ye抗菌生物材料的研究现状-中国组织工程研究与临床康复2008,12（32）

生物材料相关感染是临床使用牛物材料时伴随的一个严重问题.至今已有多种抗菌生物材料被用来防治植入物引起的感染,许多材料在体外表现出良好的抗菌性.生物相容性和可降解性.其中一些在动物实验巾也得到了不错的效果,还有一些成功应用于一期临床.总体来看采用抗菌生物材料防治生物材料相关感染已三取得了很大进展,将材料作为可持续释放抗菌系统的研究已成为目前各类抗菌生物材料研究的其同方向.随着新材料和新技术的进步以及相关理论的逐渐阐明,应用抗菌生物材料来防治生物材料相关感染具有光明的前途,但是还需要进行进一步的体内实验和临床研究来推动抗菌生物材料的应用.

2.学位论文张志霞含铜（氮）抗菌不锈钢的组织与性能研究2007

随着人们生活水平的日益提高，抗菌、防菌的健康意识逐渐增强。

近年来的病毒感染事件接连发生，直接危及人们的生命安全，由此抗菌不锈钢这一新型钢种应运而生。

抗菌不锈钢应用领域广泛。

高性能、多功能的抗菌型不锈钢始终是人们研究开发的目标。

从这个目标出发，本文采用试验与理论相结合的方法，借助于先进的实验条件和分析测试工具，对含铜（氮）抗菌不锈钢进行了组织与性能的研究。

本文的主要结论归纳为：

⑴利用高分辨电镜与碳萃取复型技术对含铜铁素体抗菌不锈钢中抗菌相粒子的组成和生长机制进行了分析。

得出：

抗菌相97％为铜，其余含有少量的锰和铁元素，其成分和结构上接近单质的铜；该抗菌相与铁素体基体主要存在（111）ε-Cu∥（110）α-Fe的取向关系，近似存在（111）ε-Cu∥（121）α-Fe的取向关系；抗菌相具有（111）[112]孪晶和层错的复杂多层结构，且通过片层的沿长度方向的扩张沿[111]ε-Cu和[112]ε-Cu方向长大。

铁素体抗菌不锈钢中抗菌相的这种生长机制在一定程度上丰富了铜在钢中沉淀析出理论。

⑵铁素体抗菌不锈钢热轧板在时效过程中，抗菌相的析出过程受扩散机制控制，。

抗菌相的临界析出温度接近850℃，最佳析出温度区间为750-

800℃。

抗菌相尺寸越大、析出数目越多，则抗菌性越好。

此外，欲获得优良的抗菌性，抗菌相的析出量不应小于0.5％。

在750-800℃的温度区间进行

60分钟时效，抗菌相的体积分数可近似表达为时效时间，的线性方程ln1/1-f=1/4πIδ20κ2t-1/3πIδ30.该模型对于抗菌相尺寸和体积分数的控制以及时效工艺的调整具有理论指导意义。

⑶利用EBSD对含铜铁素体抗菌不锈钢表面上的抗菌相进行了分析。

试验发现，抗菌相主要分布在具有Goss（[101]∥法向）取向的铁素体晶粒内部，这是因为抗菌相的析出惯习面是（110）α-Fe。

冷轧变形使表面Goss取向的晶粒减少，而以{111）Y为主要取向的晶粒增加。

由于铁素体基体中的抗菌相方向性析出，冷轧变形同时也引起表面抗菌相析出数量的下降和其形貌的改变，使得冷轧后的抗菌性稍有下降，但耐蚀性得到改善；800℃时效90分钟后，冷轧后的抗菌性亦可达到99.9％以上。

⑷试验结果表明，氮可同时提高含铜奥氏体抗菌不锈钢的抗菌性和耐蚀性。

热力学计算结果揭示，氮提高铜的活度系数，其关系式可表达为

：

lnfCu/f0Cu=0.53524+4.11xN-0.48x2N，式中的fCu是试验合金中铜的活度系数，f0Cu是无限稀多组元合金中铜的活度系数，xN是氮的摩尔浓度。

从热力学角度分析，较高浓度的氮使铜组元在抗菌相和奥氏体两相中分配的自由能差增加，使铜在抗菌相中的偏聚程度增强，从而促使更多的铜从奥氏体中析出，提高了钢的抗菌性；同时，氮在表面富集，提高了耐蚀性；该钢种时效时间短，抗菌性明显，耐蚀性改善，便于实现工业化生产，并预示着开发新型的含氮奥氏体抗菌不锈钢将是今后抗菌不锈钢的一个发展方向。

3.期刊论文罗建斌.LUOJian-bin抗菌生物材料的研究进展-高分子通报2009（3）

生物材料的感染限制了生物材料的进一步应用.细菌在材料表面粘附、生长成细菌生物膜是生物材料相关感染难治的根本原因.因此,最有效的解决方法是防止细菌生物膜的形成.本文对目前抗菌生物材料的研究现状进行综述,提出目前防止细菌生物膜生成的方法主要有三种:

抗细菌粘附的方法;杀菌的方法及二者相结合的方法.在设计抗粘附生物材料时,除了考虑材料表面的化学结构外,也要考虑材料的表面拓扑结构及材料的本体性能对细菌粘附的影响

;在设计杀菌的生物材料时,不但要考虑杀菌性能,也要考虑杀菌剂对材料血液相容性的影响.总的来说,抗粘附的方法及杀菌相结合（多重抗菌）的方法是可望解决生物材料感染的一条新方法.

4.学位论文刘耀斌两亲性聚合物合成及抗菌性能研究2010

近年来抗菌材料的研究成为国内外重要的前沿课题，目前研究的抗菌聚合物由于抗菌的广谱性和选择性不理想，因而在具体应用中（特别是生物材料

）受到诸多限制。

所以研究合成高抗菌广谱性和选择性的聚合物具有重要的意义。

本课题采用传统自由基聚合和可逆加成-断裂链转移聚合（ReversibleAddition-FragmentationChainTransferPolymerization）技术合成了系列不同亲水/疏水链段比的共聚物，并测试了其抗菌性能。

抑菌圈法和最低抑菌浓度法、浊度法表明了制备的两种两亲性共聚物均具有良好的抗菌活性，溶血性测试表明聚合物均没有血细胞毒性。

鉴于嵌段共聚物在抗菌方面的研究报道很少，探讨了影响嵌段共聚物抗菌能力的因素。

本课题通过传统活性聚合和RAFT活性/“可控”聚合制备的无规和嵌段共聚物，较系统的研究了功能化后的两亲性聚合物的抗菌性能，证明了理论上合成两亲性抗菌共聚物的方案是完全可行的。

为当前制备高抗菌性、高选择性以及广谱性的高聚物合成拓宽了思路，以飨读者。

5.期刊论文王鹏.罗建斌.李洁华.谢兴益.钟银屏抗菌生物材料的研究进展-生物技术通讯2004,15（6）

生物高分子材料（医用缝合线、导尿管等）及人工器官（心瓣膜、人工肾等）的应用日益广泛,使用过程中引发的细菌性感染导致诸多严重后果,不容忽视.基于感染机理,人们通过对生物材料表面进行不同的改性,如通过阻止细菌黏附达到抗菌效果、通过干扰细菌细胞的组成取得杀菌效果等,研究了不同的抗菌机理.本文综述了新型有机高分子抗菌剂的发展,提出对生物相容性良好的聚氨酯、聚砜、聚醚砜等材料进行表面改性,使之具有好的抗菌能力,是未来抗菌生物材料的研究与发展方向.

6.学位论文张奇纳米银-小肠黏膜下层修复腹壁缺损的实验研究2010

目的:

腹壁疝，战创伤、肿瘤等病变造成的腹壁缺损以及救治腹腔间隙综合征等危重病时，均需使用腹壁修复重建材料，临床上对此存在着巨大的需求。

理想的腹壁修复重建材料应理化性质稳定、安全无毒无致癌性、耐张力优于腹壁组织、耐机械疲劳、组织相容性好、排异反应小、利于组织再生、来源及使用方便；此外最新的观点更强调材料具有抗感染性、柔软和服帖性以及能获得最小的手术痛苦以及相对最小的补片植入量等。

但目前国内外公认尚未找到一种完全理想修复材料。

我国人工材料疝修复术普及率远远低于西方发达国家，原因一方面是基层医院医疗技术更新速度慢，另一方面是手术中使用的修补材料在我国还没有产业化，全部依赖进口，价格昂贵。

仅就我国的人口基数和美国的人口基数以及疝气的发病率来比较，不难看出腹壁修复重建材料在我国的巨大的潜在经济意义和应用价值前景。

　　生物材料是当下国外疝和腹壁外科研究的最新进展，包括动物源性材料如猪小肠粘膜下层（smallintestinalsubmucosa，SIS）、牛心包等；人尸源性材料如人工脱细胞真皮（acellulardermalmatrix，ADM）等。

总体评价[7]，生物材料除了拥有与合成材料一样的低疝复发率，在生物相容性、抗粘连性等方面也较人工合成材料更为理想，术后疝复发、感染，肠梗阻、瘘管形成等不良反应的发生率明显较低。

　　值得重视的是，生物材料的抗微生物活性优于合成材料。

研究发现[8]，醋酸消化制备的SIS细胞外基质浸出液具有抑制革兰阴性大肠杆菌和革兰阳性金黄色葡萄球菌的作用。

SIS在有金黄色葡萄球菌定植时亦可实现良好的组织再塑，植入SIS伤口的感染性低于合成材料[9]。

但同时国外将生物材料试用于腹壁缺损修复或重建的初期临床经验也表明，修复污染或潜在感染的腹壁缺损失败率＞50％，并且依赖于伤口感染的类型和再血管化速度。

因此，提高腹壁修复材料的抗感染性仍是疝和腹壁外科的巨大挑战。

在抗菌剂方面，银作为抗菌剂，具有高效、安全无毒、抗菌谱广、无耐药性等优点，能杀灭细菌、真菌和霉菌甚至病毒。

银杀菌机制主要与银离子有关

，银离子可与细菌内巯基酶结合从而使后者失活，阻断微生物的能量代谢及细胞壁合成，起到杀灭细菌、病毒及真核微生物的作用。

也有研究表明纳米银颗粒可以和病原体的DNA碱基结合，形成交叉链接，置换嘌呤和嘧啶中相邻氮之间的氢键，使DNA变性，不能复制，致细菌失活。

此外，银还有促进伤口愈合的功能。

研究发现，伤口局部涂抹银乳膏可抑制变应性接触性皮炎鼠模型炎症因子表达、诱导炎性细胞调亡。

动物毒性实验和临床应用均证实银杀菌剂属实际无毒级。

近年来，利用纳米技术将金属银加工成纳米级的银微粒后，其表面积极大，显示明显的表面效应、小尺寸效应和宏观隧道效应

，抗菌活性大大增强，效力更持久，安全性更高。

纳米银作为抗菌材料已应用于医用导管、内固定器械、创伤敷料等方面。

我们从中得到启发，利用生物材料的三维网状超微结构、主要成分为胶原蛋白（90％为Ⅰ型和Ⅲ型胶原纤维）易于粒子粘附，植入粒径15nm左右的纳米银粒子形成具有抗菌性的生物材料。

植入体内后随着生物材料的降解银微粒逐步释放，从而持久发挥抗细菌定植和抗感染、利于宿主细胞浸润生长和血管再生的作用。

　　综合上述，构建理想的新型抗菌生物—高分子复合腹壁修复材料的条件已经成熟，如有望构建成功，将为临床腹壁缺损及疝的治疗提供新的选择。

经文献检索，目前国内外尚未见复合生物材料和合成材料构建腹壁补片的报道。

材料和方法:

　　第一部分：

抗菌生物—高分子复合腹壁修复材料的构建
　　

1.按Abraham方法制备猪小肠粘膜下层（SIS）。

2.通过自组装技术将纳米银粒子植入SIS构建抗菌生物材料纳米银SIS。

3.采用扫描电镜观察材料超微结构，琼脂弥散法测试复合材料的体外抗菌能力。

　　第二部分：

动物实验及免疫研究
　　

1.采用复合材料、生物材料、合成材料分别修复大鼠全层腹壁缺损（3×3cm），每组12只F344成年大鼠（体重约200g），并用10^4cfu/ml的金黄色葡萄球菌污染修复区。

修复后1d、3d、5d、7d取动物腹壁分泌物作细菌培养，1d、3d、5d、7d、15d、30d取动物血采用火焰原子吸收光谱法检测血液中银含量。

修复后2月处死动物，腹壁注水试验检测修复区抗压情况，使用HE和甲苯胺蓝染色、扫描电镜观察修复区边缘及中央的组织结构、血管化程度，取动物脑

、肝、肾组织，采用火焰原子吸收光谱检测组织中银含量。

2.SD大鼠30只，体重200～250g，手术造成3cm×2cm全层腹壁缺损，随机分为三组（n=10），分别采用相同面积的纳米银猪小肠黏膜下层（NS-SIS），单纯猪小肠黏膜下层（SIS）和Proceed（R）补片进行修补。

术后4周和8周取出腹壁修复材料，进行CD3（淋巴细胞），CD68（巨噬细胞）及CD31（血管内皮）免疫组化分析。

第三部分：

材料的生物安全性试验
　　

1.进行细胞毒性试验，将复合材料放入96孔培养板，细胞培养板分3组（复合材料、阳性对照、阴性对照），每组12孔，每孔加入细胞培养液2mL,置入

37℃培养箱内，24h后取出备用。

将已培养48h生长旺盛的L929细胞计算出细胞密度（细胞数/mL）：

配制成4×104/mL的细胞悬液，取出96孔细胞培养板

，分别加入细胞悬液0.5mL，置37℃培养。

于培养后的第1，2，4，7d，每组各取3孔进行细胞形态观察和细胞计数。

2.进行皮肤刺激试验，于成年家兔皮内注射复合材料浸出液及对照液（生理盐水）各0.2mL，于注射后15min，1h，2d，3d观察实验区皮肤反应。

3.进行皮肤致敏试验，于豚鼠背部脱毛区涂0.1mL复合材料浸出液和对照液（生理盐水）各0.1mL，连续观察3d，记录试验区皮肤组织反应。

4.进行致热原试验：

于成年家兔耳缘静脉注射复合材料浸出液及对照液（生理盐水）各0.1mL，于注射后1h，6h，12h，24h，48h，72h分别测量家兔体温

。

5.数据采用SPSS11.0统计软件包进行统计学处理，实验数据以均数±标准差表示，P值＜0.05为有统计学意义。

　　结果:

一、对纳米银-小肠黏膜下层修复材料（NS-SIS）的体外抗菌效果进行了初步研究，结果表明纳米银-小肠黏膜下层修复材料具有良好的体外抗菌效果。

二、纳米银-小肠黏膜下层修复材料能够用于修复大鼠污染腹壁缺损，且伤口感染率低于单纯生物腹壁修复材料（SIS）和合成材料（Proceed（R）补片）。

三、对纳米银复合生物腹壁修复材料的修复大鼠腹壁缺损后对修复区局部炎症反应和微血管密度的影响进行了初步研究，结果表明纳米银-小肠黏膜下层修复材料与单纯生物腹壁修复材料对修复区局部炎症反应及微血管密度的作用相同，两者较合成材料局部炎症反应轻，微血管密度较合成材料低。

四、对纳米银复合生物腹壁修复材料的生物安全性进行了初步评价，结果表明纳米银-小肠黏膜下层修复材料（NS-SIS）的生物安全性良好。

　　结论:

纳米银-小肠黏膜下层修复材料（NS-SIS）有较好的抗菌效果，且伤口感染率和局部炎症反应低于单纯生物腹壁修复材料（SIS）和合成材料（Proceed（R）补片），并具有良好的生物安全性。

创新点:

1.国内外首次将生物材料与高分子材料复合构建修复腹壁补片，集中了现有材料几乎全部的优点，为寻求理想腹壁修复材料的研究提供了新的思路；预期实验结果有望改变临床现状。

2.国内外首次将纳米技术、无机杀菌剂应用于疝和腹壁外科，改变现有修复材料抗感染性差的研究出现了新的转机。

7.学位论文陈晨含载银活性炭腈氯纶纤维的研究2008

本文通过将纳米或微米级载银活性炭与丙烯腈-偏氯乙烯共聚物共混纺丝制备了一种新型抗菌吸附纤维。

以二甲基甲酰胺（DMF）作为溶剂,将载银活性炭与丙烯腈-偏氯乙烯共聚物共混制成纺丝原液,通过共混、过滤、脱泡计量后,经过喷丝板将共混纺丝原液喷入凝固浴,湿法纺丝而成。

本文较系统地研究了含载银活性炭腈氯纶纤维的湿法纺丝工艺,研究了喷丝速率、拉伸率、凝固浴、热定型对纤维物理机械性能的影响,探索出一套比较合适的纺丝工艺路线,含0-25wt％载银活性炭的纤维可以被顺利纺丝。

纤维的结构与性能通过差式扫描量热分析（DSC）、扫描电子显微照片（SEM）、广角X射线衍射分析以及其他常用方法进行了表征。

纤维的比表面积通过测试氮气的吸附性确定。

结果表明,含载银活性炭20wt％腈氯纶纤维的断裂强度为1.3cN/dtex,其断裂伸长率为30％,比表面积为198m2/g,纤维含银量在0.08wt％以上,所制得的含载银活性炭腈氯纶纤维的物理-机械性能满足纤维的使用要求,且具有较持久的抗菌能力,是一种较理想的抗菌吸附纤维。

以上述制得的含载银活性炭腈氯纶纤维为前驱体制备活性炭纤维,探讨了炭化、活化工艺,并用扫描电子纤维镜观察其表面形态,测试其对氮气的吸附量确定其比表面积,并由对亚甲基蓝的吸附性能测试其吸附能力等。

结果显示,含载银活性炭腈氯纶纤维为前驱体制备活性炭纤维的最优氧化稳定工艺为

：

将含载银活性炭腈氯纶纤维浸于（NH4）3PO4和（NH4）2SO4（4:

6/wt:

wt）混合液中,而后取出放于马弗炉中250℃下加热1.5h。

纤维后经炭化活化比表面积可达385m2/g,含银量为0.246wt％。

由此表明在活性炭纤维的前驱体中加入适量的载银活性炭不仅可使纤维具有抗菌性,还可增加其比表面积和生产收率,且工艺过程无需改进,简单实用,说明由含载银活性炭腈氯纶纤维为前驱体制备的活性炭纤维可提供优越的抗菌吸附性,是一较理想的活性炭纤维。

8.期刊论文《中国组织工程研究与临床康复》杂志社学术部抗菌生物材料在临床医学领域中的应用-中国组织工程研究与临床康复2010,14（42）

抗菌生物材料中的核心成分是抗菌剂.抗菌剂能够在一定时间内,使某些微生物（细菌、真菌、酵母菌、藻类及病毒等）的生长或繁殖保持在必要水平

以下的化学物质.抗菌剂是一类具有抑菌和杀菌性能的新型助剂.极少数的抗菌剂添加至生物材料中,可制成抗菌生物材料,再经加工成制品.抗菌生物材科可以使材料表面的抗菌成分及时通过接触杀菌或抑制在材料表面的细菌的繁殖,进而达到长期卫生、安全的目的,因此,抗菌剂应具有以下特点.

○抗菌能力和广谱抗菌性;

○特效性,既耐洗涤、耐磨损、寿命长;

○耐候性:

既耐热、耐日照,不宜分解失效;

○与基材的相容性或可加工性好,既易添加到基材中、不变色、不降低产品使用价值或美感;

○安全性好,对健康无害,不造成对环境的污染;

○细胞不易产生耐药性.

9.期刊论文丁进亚.黄前川.DINGJin-ya.HUANGQian-chuan细菌生物膜的防治进展-医学综述2011,17（3）

生物膜是细菌对抗不利环境、导致持续感染和耐药性的重要方式,常常给临床治疗带来极大困难.生物膜的形成受到多种因素的影响,包括生物医学材料、细菌的群