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活性聚合物膜的制作方法

文檔序號(hào):1781180閱讀:228來源:國知局
專利名稱:活性聚合物膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明主要涉及活性聚合物膜。更具體地說,本發(fā)明涉及一種包括內(nèi)嵌無機(jī)物納米顆粒的聚合物基質(zhì)的膜。
背景技術(shù)
微生物感染或污染仍然是醫(yī)藥、食品加工、藥品加工及環(huán)境設(shè)置中導(dǎo)致疾病和/ 或腐敗的主要原因。另外,雖然所有外科手術(shù)有傷口感染的風(fēng)險(xiǎn),但是在移植手術(shù)中或手術(shù)后醫(yī)療植入表面的細(xì)菌粘附、定植和/或生物膜的形成大大增加了感染的風(fēng)險(xiǎn)。另外,已知微生物膜在例如食品、醫(yī)藥、化學(xué)工業(yè)加工設(shè)備的表面上形成,同時(shí)也可以在其他的表面如灌溉設(shè)備、暴雨或污水排水管、冷卻塔或船舶的表面上形成。生物膜常常會(huì)對這些設(shè)備帶來嚴(yán)重?fù)p壞,并且微生物膜的形成會(huì)引起管道及加工設(shè)備的堵塞。可以采用抑菌劑或殺菌劑控制微生物。抑菌劑能夠抑制微生物的進(jìn)一步生長,相應(yīng)地能夠抑制生物膜形成,或者,當(dāng)在醫(yī)療環(huán)境中使用時(shí),能夠防止感染發(fā)展成全面爆發(fā)的疾病(full blown illnesses)。另一方面,殺菌劑能夠通過殺死微生物起作用。少量殺菌劑對于微生物有廣譜作用,并且在某些情況下,可能需要使用組合藥劑控制微生物的生長。 不過,大多數(shù)廣譜殺菌劑不適宜用在醫(yī)療應(yīng)用中,因?yàn)樗鼈兺鶗?huì)對較高級(jí)生物體的組織產(chǎn)生有害影響。另外,盡管抗生素,通常只對細(xì)菌有活性,提供了治療或防止人體及其他動(dòng)物體中微生物感染又不會(huì)產(chǎn)生這種有害影響的可能性,但是,不幸地是,只有少量抗生素制劑顯示廣譜的活性(即,它們的殺菌活性常常只針對某種細(xì)菌種或?qū)?。而且,多年來抗生素的廣泛、頻繁的使用已經(jīng)導(dǎo)致細(xì)菌抗生素耐藥性或多種耐藥性菌株的演化(如,耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(methicillin-resistant Staphylococcus aureus) .’ MRSA)。因此,抗生素對某些細(xì)菌感染可能無效的。因此,大量正在進(jìn)行的研究工作旨在開發(fā)出新的在醫(yī)療應(yīng)用中使用的抑菌劑或殺菌劑。這種需求又被減少醫(yī)院獲得性感染率的全球需要、西方世界的老齡化人口、對最小化醫(yī)療費(fèi)用不斷增加的關(guān)注,以及不斷增加的被告知需要改善的醫(yī)療治療的病人而加劇。從這個(gè)意義上來說,作為一種手術(shù)過程中或手術(shù)后抗細(xì)菌感染的有前景的方法,人們對醫(yī)學(xué)移植及假肢中使用的抗菌涂層和表面的接受度不斷增加。為此,替代性的抗菌技術(shù),如納米基涂層技術(shù),有了良好的發(fā)展勢頭。醫(yī)療設(shè)備已經(jīng)被視為用于包括創(chuàng)傷敷料、導(dǎo)管以及醫(yī)學(xué)植入如支架和起搏器的抗菌涂層及表面技術(shù)的可能備用方式。
銀的抗菌性能很多年前已經(jīng)被認(rèn)識(shí)到了。由于銀的成本并且相對現(xiàn)代抗生素其給藥相對困難,因此一直到近年來銀作為抗菌劑也只引起了少量關(guān)注。也就是說,近年來,對于銀可能作為抗菌劑使用的關(guān)注有所復(fù)蘇。例如,銀化合物以及銀膠體已被納入用于燒傷、 急性和慢性創(chuàng)傷的繃帶,用于治療腿部潰瘍。事實(shí)上,已知的產(chǎn)品,如包括1%的磺胺嘧啶銀的Silvadene 乳膏,現(xiàn)在已是最廣泛使用的用于治療燒傷相關(guān)的感染的抗菌產(chǎn)品。另外, 幾項(xiàng)近期研究顯示了銀離子與大顆?;蚣{米顆粒表面結(jié)合以減少醫(yī)療應(yīng)用中微生物感染及細(xì)菌粘附和/或定植事件的能力。這些醫(yī)療應(yīng)用包括,例如,燒傷治療(Paddock et al, 2007 ;Caruso et a/,2004)、導(dǎo)管植入(Rupp et a7,2004 ;Yobin and Bambauer,2003)、fi 體植入(Hardman et a7,2004 ;Gosheger et aA 2004)、關(guān)節(jié)造形術(shù)(Alt et aA2004)、假牙(0,Donnell et a7,2007 ;Ohashi et W,2004)以及其他醫(yī)療應(yīng)用。可能的抗菌涂層及表面的非醫(yī)療應(yīng)用包括銀,例如,包括水處理裝置及系統(tǒng)(Chou et a7,2005 ;Martinez et a/,2004)禾口坊織品(Paddock et a7,2007 ;Dubas et a7,2006 ;Lee et a/,2003)o 有些文獻(xiàn)綜述探索了利用一些方法產(chǎn)生包含銀納米顆粒的抗菌涂層的可能性,所述方法例如逐層淀積法(Dubas et a7,2006 ;Li et aA 2006)、溶膠-凝膠法(Marini et a7,2007 ;Mahltig et aA 2004)、電化學(xué)法(Voccia et aA 2006)、離子束淀積法(Song et aA 2005),以及化學(xué)氣相淀積法(Martin et a7,2007)o這里所述的是等離子聚合法,用于形成載有無機(jī)物納米顆粒的聚合物膜。以這種方式制成的膜適用于涂覆任何合適的基質(zhì),包括那些具有硬的或軟的表面的基質(zhì)。它們也可以用于涂覆表面以使合適基質(zhì)的表面功能化,例如,用來給予抗菌活性和 /或用于防止不想要的細(xì)菌粘附、定植和/或生物膜形成或者,除此以外用于涂覆帶有期望的無機(jī)物的光學(xué)或電子裝置。這里描述的方法可以進(jìn)一步為生物活性無機(jī)物提供緩釋層 (如,抗菌劑)或者僅僅提供一種將無機(jī)物粘附到表面的方法。

發(fā)明內(nèi)容
第一方面,本發(fā)明提供了一種包含可滲透聚合物基質(zhì)的膜,所述聚合物基質(zhì)帶有一種或多種官能團(tuán)以及在所述聚合物基質(zhì)內(nèi)嵌有一種或多種無機(jī)物納米顆粒。優(yōu)選地,無機(jī)物為銀。第二方面,本發(fā)明提供了一種用于將一膜應(yīng)用到合適基質(zhì)表面上的方法,所述方法包括步驟
(i )通過等離子聚合淀積并聚合包含一種或多種官能團(tuán)的單體,以在所述表面形成可滲透的聚合物基質(zhì);
(ii )將無機(jī)物與所述官能團(tuán)復(fù)合,以及
(iii)還原所述無機(jī)物,形成一種或多種所述無機(jī)物的納米顆粒; 其中所述一種或多種無機(jī)物納米顆粒嵌入所述聚合物基質(zhì)中。該方法適用于制造多層膜,其中由步驟(i )到(ii)制成的膜構(gòu)成包括第一聚合物基質(zhì)的第一膜層,所述第一聚合物基質(zhì)帶有一種或多種官能團(tuán)以及,一種或多種無機(jī)物納米顆粒嵌入所述第一聚合物基質(zhì)中,而該方法進(jìn)一步包括步驟
(iv)將第二膜層應(yīng)用到第一膜層的表面。


圖1提供了制造HA-銀等離子聚合物(pp)膜的實(shí)驗(yàn)方法示意圖(a)圖示了正庚胺(HA)的等離子淀積;(b)圖示了通過浸入AgNO3溶液中將銀離子負(fù)載到HA等離子體膜上的方法;以及(c)圖示了通過浸入NaBH4中還原銀離子形成銀納米顆粒;
圖2闡釋了形成在玻璃固體表面上的HA膜內(nèi)銀納米顆粒的形成(a) ( i )顯示了沉淀了 IOOnm HA等離子體膜后玻璃固體表面的不透明性;(a) (ii )顯示了 HA等離子體膜負(fù)載了銀離子后玻璃固體表面的不透明性;(a) (iii)顯示了用NaBH4還原銀離子后玻璃固體表面的不透明性;(b)顯示了負(fù)載銀離子(下面的線)并在NaBH4中還原后(上面的線)的樣本的UV-可見光譜圖,其中波長(nm)在X軸上顯示,吸光度在Y軸上顯示;
圖3闡釋了銀納米顆粒負(fù)載濃度的各種調(diào)節(jié)(a)顯示了厚度IOOnm的HA-銀膜還原時(shí)間為30min時(shí),浸入AgNO3的時(shí)間的影響;(b)顯示了厚度IOOnm的HA-銀膜浸入AgNO3 的時(shí)間為Ihr時(shí),還原時(shí)間的影響;以及(c)顯示了浸入AgNO3的時(shí)間為Ihr并且還原時(shí)間為30min時(shí),HA-銀膜的厚度的影響。Y軸表示最大吸光強(qiáng)度,X軸表示時(shí)間(min或sec); 圖4闡釋了 HA等離子體膜附加層淀積后銀離子從HA-銀等離子體膜中釋放的速率調(diào)節(jié)(a)顯示了所述膜浸入磷酸鹽緩沖溶液(PBS)中的21天期間銀離子從膜中釋放的速率, 其中正方形表示HA-銀等離子體膜的釋放速率,圓形表示在HA-銀等離子體膜表面上附加淀積的6nm HA等離子體膜,三角形表示在HA-銀等離子體膜表面上附加淀積的12nm HA等離子體膜;以及(b)顯示了包含在制備雙層等離子體膜的方法。圖示下部為固體基質(zhì),中間部為HA-銀層,上部為附加HA層;
圖5顯示了 HA-銀等離子體膜與HA等離子體膜的細(xì)菌生長及定植的對比(a)圖示了 HA等離子體膜上的細(xì)菌生長;(b)圖示了 HA-銀等離子體膜上的細(xì)菌生長及移定植;以及 (c)顯示了包括6nm HA等離子體聚合物的第二層膜的雙層等離子體膜的細(xì)菌生長及定植; 圖6提供了從HA-銀等離子體膜的樣本產(chǎn)生的評(píng)估抑菌面積的柱狀圖,所述膜放置在充滿 LB 介質(zhì)及 100 μ 1 Esctwrichis coli K12 (MG1655)菌株的 Petri 培養(yǎng)皿中;
圖7顯示了負(fù)載銀離子并在NaBH4中還原后丙烯胺(AA)等離子體聚合物膜的UV-可見光譜圖,其中X軸為波長(nm),Y軸為吸光度;
圖8闡釋了淀積了 AA等離子體膜的附加層后銀離子從AA-銀等離子體膜中釋放的速率調(diào)節(jié)特別地,該圖顯示了所述膜浸入PBS中20天期間銀離子從膜中釋放的速率,其中正方形表示AA-銀等離子體膜的釋放速率,圓形表示AA-銀等離子體膜表面上淀積了附加的 6nm AA等離子體膜的效果,指向上方的三角形表示AA-銀等離子體膜表面上淀積了附加的 12nm AA等離子體膜的效果,以及指向下方的三角形表示AA-銀等離子體膜表面上淀積了附加的12nm AA等離子體膜的效果;以及
圖9提供了 PEG接枝(grafting)前、后玻璃基質(zhì)涂層的UV-可見光譜圖(涂層是不含有PEG的HA-銀等離子體膜(即HA+銀納米顆粒(SNP))和含有PEG的HA-銀等離子體膜(即 HA+SNP+PEG))。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明申請人已經(jīng)鑒定并開發(fā)了各種膜,以及制造這些膜的方法,包括其中嵌入無機(jī)物納米顆粒的聚合物。這些膜可以提供任何數(shù)量的應(yīng)用,例如,制作抗菌涂層或抗菌表面。制造這些膜的方法提供了一種快速、簡單、方便的將活性聚合物膜應(yīng)用至表面的工藝。因此,第一點(diǎn),本發(fā)明提供了包含具有滲透性的聚合物基質(zhì)的膜,所述聚合物基質(zhì)中帶有一種或多種官能團(tuán)以及在所述聚合物基質(zhì)內(nèi)嵌有一種或多種無機(jī)物納米顆粒。這里使用的術(shù)語“膜”包括任何物理表面層,它們可以,例如,為其應(yīng)用的下層表面 (如固體表面)提供某些性能。因此,上述膜的厚度或組成可以是不規(guī)則的或均一的,同時(shí)可以部分或完全包覆或覆蓋下層表面。根據(jù)第一點(diǎn),所述膜包含其中嵌有納米顆粒的聚合物基質(zhì),其對所述無機(jī)物具有滲透性(例如,無機(jī)物可以擴(kuò)散進(jìn)入聚合物基質(zhì),也可以從中擴(kuò)散出來)。所述聚合物基質(zhì)可以是有孔的,包括大量的孔,一般是納米孔(如孔的直徑約2nm 到約4μπι,更優(yōu)選的為約5nm到Ιμπι),它們可以是分開的、相連的或兩者的組合。無機(jī)物納米顆??梢晕挥诰酆衔锘|(zhì)的孔中。優(yōu)選地,所述膜包含等離子體聚合物基質(zhì)。因此,這種聚合物基質(zhì)可以通過等離子體聚合過程形成,其中至少聚合一種單體以形成聚合物基質(zhì)。更優(yōu)選地,所述膜包含有孔的等離子體聚合物基質(zhì)。本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知包含等離子體聚合物基質(zhì)的涂層通常可能是“堅(jiān)硬的”,這可能由于收縮及坍塌造成涂層失效。人們懷疑這種涂層的剛性是由等離子體聚合過程中成分單體的交聯(lián)引起的。所以,第一點(diǎn)所述的膜優(yōu)選地為一薄膜,包含薄的、有彈性的聚合物基質(zhì)。除了不易于失效的潛在性,這在醫(yī)療應(yīng)用中是特別重要的,這種薄膜也很好的適用于 “軟的”應(yīng)用例如隱形眼鏡的表面涂層。第一點(diǎn)所述的膜也包含低交聯(lián)度的等離子體聚合物基質(zhì),以提供機(jī)械柔韌性。薄膜可以通過本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的任何薄膜淀積方法形成,包括但不限于, 化學(xué)淀積法如電鍍、化學(xué)溶液淀積(CSD)以及化學(xué)氣相淀積法(CVD),物理淀積法如物理氣相淀積法(PVD)、熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、濺射法、脈沖激光淀積法以及陰極電弧淀積法 (電弧離子蒸鍍(Arc-PVD)),以及其他方法如反應(yīng)濺射法、分子束外延(MBE)和拓?fù)溲苌?(topotaxy)。薄膜厚度優(yōu)選地約小于4 μ m,更優(yōu)選地在約5nm到約4 μ m之間,更優(yōu)選地在約5nm到500nm之間,更優(yōu)選地在約5nm到150nm之間,最優(yōu)選地從約5nm到約25nm。這里使用的術(shù)語“官能團(tuán)”包括原子或特定的聚合物基質(zhì)(或組成聚合物基質(zhì)的單體)的原子基團(tuán),無機(jī)物與所述物質(zhì)通過,例如,化學(xué)共價(jià)鍵、化學(xué)離子鍵或化學(xué)配位鍵結(jié)合 (例如形成復(fù)合物)。這里使用的術(shù)語“納米顆?!笨梢岳斫鉃椤凹{米”尺寸的顆粒,其可以包括各種尺寸的顆粒,并且一般平均直徑或主截面尺寸范圍在1到250nm,更優(yōu)選地范圍為5到50nm, 最優(yōu)選地范圍為10到25nm。這里使用的術(shù)語“無機(jī)物”包括基本純態(tài)的無碳元素(如,銅、銀或硒)以及任何主要由不是碳的元素構(gòu)成的無機(jī)化合物。不過某些含碳的化合物也被認(rèn)為是無機(jī)化合物,如碳酸鹽、簡單的碳氧化物和氰化物,以及碳的同素異形體,而針對本說明書的目的,包含碳骨架的化合物和有機(jī)金屬化合物不能看成是無機(jī)化合物。第一點(diǎn)所述的膜可以作為任意合適的基質(zhì)表面的涂層使用,優(yōu)選地是固體基質(zhì)。 優(yōu)選地,上述表面在使用該種膜時(shí)不需要進(jìn)行預(yù)先改性處理。合適的“硬”基質(zhì)包括金屬、陶瓷、合成聚合物、生物聚合物以及醫(yī)療應(yīng)用中常用的材料,包括不銹鋼、鈦、聚丙烯鈦、羥磷灰石、聚乙烯、聚氨酯、有機(jī)硅聚合物和全氟聚合物。 合適的“軟”基質(zhì)包括丙烯酸水凝膠聚合物、硅氧烷水凝膠聚合物、纖維繃帶、包扎材料,以及合成敷料,如水凝膠或泡沫敷料。另外,可以認(rèn)為第一點(diǎn)所述的膜適合用于作為制造和包裝材料使用的涂層材料, 如塑料(例如,聚丙烯、聚苯乙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚酯、聚酰胺、聚氯乙烯、聚氨酯、 聚碳酸酯、聚偏二氯乙烯和聚乙烯等)、金屬和金屬合金(例如,不銹鋼、鋼、鐵和錫等)。另外,光學(xué)或電子裝置中使用的材料,如硅、二氧化硅、鋁、銅及類似材料也可以使用第一點(diǎn)所述的膜涂覆。第一點(diǎn)所述的膜優(yōu)選地包含由單體形成的聚合物基質(zhì),所述單體包括一種或多種官能團(tuán),可與所述無機(jī)物的氧化態(tài)形成復(fù)合物。因此,優(yōu)選的單體包含至少一種官能團(tuán),選自由羥基、羰基、醛基、酮基、羧基、過氧基、酰胺基、胺基、亞胺基、酰亞胺、疊氮化物、氰酸鹽和硝酸鹽基團(tuán)組成的組。不過,更優(yōu)選的是包含至少一個(gè)胺基的單體。例如,選自由揮發(fā)性胺組成的組的單體包括,例如,烯丙胺、二 (二甲氨基)甲基乙烯基硅烷、二甲基氨基硅烷、吡啶和庚胺。本發(fā)明的某些實(shí)施例中,上述單體可以選自那些可聚合形成生物相容性聚合物的物質(zhì)。進(jìn)一步,某些實(shí)施例中,上述單體可以選自那些可以在聚合后功能化或可以共聚使得最終聚合物基質(zhì)功能化的物質(zhì)。更優(yōu)選地,第一點(diǎn)所述的膜包括選自由烯丙胺、庚胺及其他揮發(fā)性烷基胺組成的組。在一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施例中,所述膜包含由正庚胺(HA)、烯丙胺(AA)或它們的組合物形成的聚合物基質(zhì)。如下文實(shí)例中所述,發(fā)現(xiàn)正庚胺和烯丙胺在制造富含胺官能團(tuán)的薄膜時(shí)非常有用。另外,已知正庚胺比其他本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的富胺單體的揮發(fā)性和毒性都更小,因此,包含由正庚胺形成的聚合物基質(zhì)的膜尤其適用于醫(yī)療應(yīng)用、食品和/或藥物加工應(yīng)用中。另外,如下文實(shí)例中所示的,如果需要,正庚胺和烯丙胺的物理化學(xué)性質(zhì)適合用于改變嵌入其中的無機(jī)物納米顆粒的濃度(concentration)及釋放(release)。第一點(diǎn)所述的膜可以用于對合適的帶有所述無機(jī)物的基質(zhì)進(jìn)行功能化,優(yōu)選的為固體基質(zhì)。這種功能化的基質(zhì)可以有很多應(yīng)用,例如在醫(yī)療應(yīng)用中如作為醫(yī)學(xué)移植的涂層,通常作為防止細(xì)菌粘附、定植和/或生物膜形成的涂層材料,在光學(xué)中用于生成反射或抗反射涂層,以及作為電子設(shè)備的涂層表面以形成,例如,集成電路、微處理器和半導(dǎo)體的層絕緣體、導(dǎo)體。因此,所述膜可以用于功能化合適的帶有無機(jī)化合物的基質(zhì),無機(jī)化合物如三氧化二砷(例如,用于涂覆砷半導(dǎo)體或治療急性粒細(xì)胞性白血病)、硼酸(例如,用于殺菌或殺蟲表面)、硫酸鎂或氧化鎂(例如,用于醫(yī)療應(yīng)用的某些范圍)、二氧化硅(例如,在微電子中作為電絕緣體使用)、氧化鋅(例如,用在化學(xué)或生物傳感器中、半導(dǎo)體中或作為藥物營養(yǎng)補(bǔ)充劑使用)以及類似物質(zhì)。另外,上述膜可以用于功能化合適的帶有非碳元素如金屬(例如,銅、銀、金、鎂和鋅,或金屬合金)的基質(zhì),用于形成抗菌表面或涂層(例如用于醫(yī)療裝置包括可植入及不可植入的裝置如替換關(guān)節(jié)、導(dǎo)尿管、經(jīng)皮進(jìn)入導(dǎo)管(percutaneous access catheter)、支架、和其他假體以及不可植入裝置如繃帶、創(chuàng)傷敷料、隱形眼鏡和面膜以及用于呼吸醫(yī)用空氣及氧氣的設(shè)備)或用于涂覆半導(dǎo)體和微處理器,例如,硒,可用于涂覆太陽能電池或用作營養(yǎng)補(bǔ)充劑,以及非金屬(例如,氟,可用于涂覆假牙)。這里上述膜包含元素金屬的納米顆粒,優(yōu)選地所述金屬選自銅或銀(已被熟知用作抗菌劑并且給藥后能夠被高等生物很好地耐受的金屬),或它們的混合物。這種膜優(yōu)選地通過將特定金屬的氧化(即,離子的)形態(tài)與官能團(tuán)復(fù)合在聚合物基質(zhì)中形成帶金屬離子的復(fù)合物來形成。之后,所述復(fù)合物被還原以形成嵌入聚合物基質(zhì)中的納米顆粒。最優(yōu)選地, 這種膜通過在胺-金屬離子復(fù)合物形成后進(jìn)行正庚胺和/或烯丙胺的等離子體聚合形成。本發(fā)明的抗菌膜(例如,包含銅、銀、硒或它們的混合物的納米顆粒),適用于一系列上述提到的醫(yī)療應(yīng)用。這種抗菌膜包含聚合物基質(zhì),其對由納米顆粒組成的抗菌劑具有可滲透性。也就是說,抗菌劑隨著時(shí)間從納米顆粒中溶解(例如,進(jìn)入已滲入所述膜的液體中)或分離,并且之后從膜中滲透出到達(dá)藥劑可發(fā)揮其抗菌活性的表面和/或四周。因此, 這里的抗菌膜包含例如銅或銀納米顆粒,聚合物基質(zhì)優(yōu)選地可被金屬離子(如,Cu+和Ag+) 滲透。本發(fā)明的抗菌膜(例如,包含銅、銀、硒或它們的混合物的納米顆粒),也適用于需要抑制細(xì)菌粘附、定植和/或生物膜形成的非醫(yī)療應(yīng)用中。例如,工業(yè)表面常與水流接觸, 特別易于生物膜形成,因此這里所述的抗菌膜適于在這種表面中應(yīng)用。合適的非醫(yī)療應(yīng)用的具體實(shí)例包括水處理設(shè)備的涂層、冷卻塔組件的涂層、加工設(shè)備特別是食品和藥品加工中的設(shè)備的涂層,以及食品及藥物包裝涂層。另外,本發(fā)明的抗菌膜可以用于給合適的基質(zhì),優(yōu)選地為固體基質(zhì)提供防腐蝕屏障(即,該膜可以提供抗腐蝕涂層)。而且,這里所述的膜包含元素金屬,特別是銅、銀和金(它們的導(dǎo)電性眾所周知)的納米顆粒,該種膜適用于涂覆半導(dǎo)體或微處理器。在一些實(shí)施例中,第一點(diǎn)所述的膜可以是多層膜(S卩,包括兩層或多層膜層)。因此,該膜可包括第一和第二聚合物膜層,所述第一膜層包含聚合物基質(zhì)(優(yōu)選地有孔),聚合物基質(zhì)帶有一種或多種官能團(tuán)以及在所述聚合物基質(zhì)中嵌有一種或多種無機(jī)物納米顆粒; 并且其中所述第二膜層可,例如,為該膜提供附加的功能性特性和/或改進(jìn)第一膜層的特性(例如,改變抗菌劑從第一膜層滲透出的速率,以使多層膜能以可持續(xù)的方式釋放抗菌劑或其它的無機(jī)物),或者,使第二膜層對嵌入第一膜層的無機(jī)物基本不能滲透,從而有效地 “捕捉”所述無機(jī)物。第二膜層也可以包含有用的配體如蛋白質(zhì)或肽(包括對宿主細(xì)胞粘附和/或生長有利的生長因子)或其它化合物如具有抗生物粘附作用的聚酯(例如,聚乙二醇)。因此,在一些實(shí)施例中,第一點(diǎn)所述的膜包括第一和第二聚合物膜層,其中所述第一膜層包含第一聚合物基質(zhì)(優(yōu)選地有孔),所述第一聚合物基質(zhì)帶有一種或多種官能團(tuán)以及,在所述第一聚合物基質(zhì)中嵌有一種或多種第一無機(jī)物納米顆粒,并且其中所述第二膜層包含第二聚合物基質(zhì)(優(yōu)選地有孔),所述第二聚合物基質(zhì)帶有有一種或多種官能團(tuán)(例如,金屬離子復(fù)合的官能團(tuán))以及在所述第二聚合物基質(zhì)內(nèi)嵌有一種或多種第二無機(jī)物納米顆粒(其中,第一和第二無機(jī)物可以是相同的或不同的);在其它的實(shí)施例中,第一點(diǎn)所述的膜包括第一和第二聚合物膜層,其中所述第一膜層包含第一聚合物基質(zhì)(優(yōu)選地有孔), 所述第一聚合物基質(zhì)帶有有一種或多種官能團(tuán)以及在所述第一聚合物基質(zhì)內(nèi)嵌有一種或多種無機(jī)物納米顆粒,并且其中所述第二膜層包含第二聚合物基質(zhì),其能控制所述無機(jī)物的滲透(例如,第二聚合物基質(zhì)可以對所述無機(jī)物滲透性很差或所述無機(jī)物基本不能滲透)。另外,至少可以加入一第三膜層,其可以包含有用的配體如蛋白質(zhì)或肽,或其它的化合物如聚酯,例如,發(fā)揮其特定的生物界面的作用如細(xì)胞粘附或防止細(xì)胞粘附。任意第二或第三(等等)膜層厚度優(yōu)選地小于約lOOnm,最優(yōu)選地從約Inm到約 50nm,更有選地從約5nm到約25nm。并且,在一些實(shí)施例中,第一點(diǎn)所述的膜可以通過將所述膜接觸氧化劑(例如,通過將所述膜置于生物液體中,或者其它水性物質(zhì)如冷卻塔水、廢水或環(huán)境水中)來“引發(fā)”無機(jī)物從嵌在聚合物基質(zhì)內(nèi)的納米顆粒中釋放出來(即,通過滲透)。第二點(diǎn),本發(fā)明提供了一種將膜應(yīng)用至合適基質(zhì)表面上的方法,所述方法包括步驟
(i )通過等離子體聚合法淀積并聚合包含一種或多種官能團(tuán)(例如,金屬離子復(fù)合的官能團(tuán))的單體,在所述表面形成具有滲透性的聚合物基質(zhì); ( )將無機(jī)物與所述官能團(tuán)復(fù)合;以及 (iii)還原所述無機(jī)物,形成一種或多種所述無機(jī)物的納米顆粒; 其中所述一種或多種無機(jī)物納米顆粒嵌入所述聚合物基質(zhì)中。優(yōu)選地,所述聚合物基質(zhì)是多孔聚合物基質(zhì)。等離子體聚合適用于在任意合適的基質(zhì),如上述的硬和軟的基質(zhì),的表面淀積和聚合物單體(即,用來制造聚合物基質(zhì))。另外,等離子體聚合法可以選擇合適的可以適當(dāng)?shù)貙Ρ砻娓男?例如,提供親水性或疏水性)的單體。而且,等離子體聚合法可以操作以使聚合物基質(zhì)具有需要的交聯(lián)度,反過來,(如果需要)其能夠調(diào)節(jié)無機(jī)物從嵌入的納米顆粒中任意外擴(kuò)散的速率。聚合單體的步驟優(yōu)選地通過等離子體聚合法進(jìn)行,例如射頻輝光放電等離子體聚合法,從而形成有孔的等離子體聚合物基質(zhì)。優(yōu)選的單體為本發(fā)明第一點(diǎn)中所述的。最優(yōu)選地,所述單體為正庚胺、烯丙胺或它們的組合,聚合形成的聚合物基質(zhì)富含胺官能團(tuán)。將無機(jī)物與官能團(tuán)復(fù)合的步驟可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的任何方法。不過, 優(yōu)選地,將無機(jī)物與官能團(tuán)復(fù)合的步驟為將步驟(i )中形成的聚合物基質(zhì)浸入包含所述無機(jī)物的溶液中。例如,為了將銀離子與富胺官能團(tuán)的聚合物基質(zhì)復(fù)合,所述聚合物基質(zhì)可以浸入AgNO3溶液中(例如,浸入0. 02M溶液中l(wèi)hr)。還原無機(jī)物的步驟可以采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的任何方法。不過,優(yōu)選地,還原無機(jī)物的步驟包括將包含復(fù)合了官能團(tuán)的無機(jī)物的聚合物基質(zhì)浸入還原溶液中。例如,為了還原銀離子以及胺官能團(tuán)復(fù)合物以形成銀納米顆粒,所述聚合物基質(zhì)可以浸入NaBH4溶液中(例如浸入0. OlM溶液中30min)??蓤?zhí)行第二點(diǎn)所述的步驟(i )、(ii)和(iii)中的任意一個(gè)或多個(gè)(即,淀積和聚合、 復(fù)合和/或還原步驟)以控制嵌入聚合物基質(zhì)中的無機(jī)物納米顆粒的量。例如,可執(zhí)行步驟 (i )通過改變聚合物的厚度控制納米顆粒的量(例如,通過控制射頻輝光放電(rfgd)等離子體淀積和聚合的持續(xù)時(shí)間),可執(zhí)行步驟( )通過改變聚合物基質(zhì)在無機(jī)物中的浸入持續(xù)時(shí)間控制納米顆粒的量,可執(zhí)行步驟(iii)通過改變聚合物基質(zhì)在還原劑中的浸入持續(xù)時(shí)間控制納米顆粒的量。優(yōu)選的,第二點(diǎn)所述的方法不包括任何基質(zhì)表面的預(yù)先改性處理。第二點(diǎn)所述的方法使得可將一膜涂覆到合適的基質(zhì)表面,其中,該膜的所述聚合物基質(zhì)中嵌有一種或多種無機(jī)物納米顆粒。該納米顆粒使膜具有需要的性質(zhì),如反射性,或可以用于無機(jī)物如抗菌銀離子的持續(xù)釋放。該方法也可以用于所述膜的表面改性或用于附著一另外的基團(tuán)(例如,在所述表面附著其他的化學(xué)反應(yīng)官能團(tuán)或另外的膜層或涂層)。第二點(diǎn)所述的方法適用于制造多層膜,其中由步驟(i )到(iii)制成的膜構(gòu)成包含第一聚合物基質(zhì)的第一膜層(優(yōu)選地有孔),所述第一聚合物基質(zhì)帶有一種或多種官能團(tuán)以及在所述第一聚合物基質(zhì)內(nèi)嵌有一種或多種無機(jī)物納米顆粒,該方法進(jìn)一步包括步驟
(iv)將第二膜層涂覆到第一膜層的表面。第二膜層可使所述膜具有附加的功能性特征和/或?qū)Φ谝稽c(diǎn)所述的第一膜層進(jìn)行改性。另外,該方法進(jìn)一步包括步驟 (ν)在第二膜層表面涂覆第三膜層??梢赃x擇用于制造多層膜的合適的等離子體聚合條件(例如用于控制,例如,第二膜層的厚度,或所述無機(jī)物從第一聚合物基質(zhì)的納米顆粒中的任意外擴(kuò)散速率)以適合特定多層膜以及預(yù)期應(yīng)用的要求。下面將通過非限制性實(shí)例及相關(guān)附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述。實(shí)例
選擇正庚胺(HA)和烯丙胺(AA)作為等離子體淀積材料,提供胺基團(tuán)功能化的等離子體膜。盡管所有實(shí)例都采用正庚胺和烯丙胺,應(yīng)該理解這里所述的方法可以等同地使用其他功能化單體如二(二甲氨基)甲基乙烯基硅烷、二甲基氨基硅烷、吡啶、環(huán)氧乙烷 (ethylene oxide)、烯丙醇、乙二醇、甲醚、丙羧酸、N-乙烯基吡咯烷酮、乙炔或乙烯或具有其他能夠復(fù)合內(nèi)擴(kuò)散無機(jī)材料的基團(tuán)的功能化單體,如羥基、羰基、醛、酮、碳酸酯、羧酸、羧基、醚、酯、過氧氫基(hydroperoxys)、過氧基(peroxys)、酰胺、胺、亞胺、酰亞胺、 疊氮化物、含氮基(azos)、氰酸酯、異腈、異氰酸酯(isocyanates)、硝酸鹽、腈、亞硝酸基 (nitrosooxy)、硝基、亞硝基、批啶基、膦基、磷酸基、亞磷酸基、磺?;⒒撬峄?、亞磺?;?、 巰基、硫氰酸鹽或二硫化物。特別地,正庚胺或烯丙胺(Vasilev et W,2009)可由環(huán)己二胺(DACH) (Lassen and Malmsten,1997)、1,3-丙二胺(Gengenbach et aA 1999)、乙二胺(Gengenbach et aA 1996)、丁胺(Gancarz et aA 2003)、炔丙胺和丙胺(Fally et al, 1995)、丙腈(Hiratsuka et aA 2000)和丙烯腈(Inagaki et aA 1992)取代。實(shí)例1嵌有銀納米顆粒的抗菌薄HA等離子體聚合物膜材料和方法

如制造商提供的使用HA、硝酸銀、氫硼酸鈉和玻璃基質(zhì)((Sigma-Aldrich,圣路易斯, M0,美國)。使用Sia/^j^ococciAs印idermidis H ΚΚ£ 35984進(jìn)行抑菌研究,該菌株在根據(jù)制造商的說明配制的胰蛋白胨大豆肉湯(TSB)與0. 25%的葡萄糖中37°C培養(yǎng)過夜而制備。抑菌研究后使用BacLight 細(xì)菌活力試劑盒(Invitrogen公司,加拿大)觀察活和/ 或死細(xì)菌和/或菌落并采用熒光顯微鏡(Olympus BX 40,激發(fā)濾色器BP460-490,二色分光鏡DM505,濾片BA515-IF)對目標(biāo)放大40倍后成像。所有清洗過程采用超純水進(jìn)行(電阻率 18. 2歐姆)。等離子體聚合法
等離子體聚合在Griesser,HJ (1989)所述的定做的反應(yīng)器中進(jìn)行,這里文獻(xiàn)作為
11參考引入。簡而言之,反應(yīng)室包括Pyrex圓筒(Pyrex cylinder)和兩個(gè)PVC端板。每個(gè)端板中的環(huán)形槽固定一 0環(huán)形密封圈,其正對上述玻璃圓筒(glass cylinder)的拋光末端。頂蓋承載驅(qū)動(dòng)馬達(dá)和齒輪(gear),底板承載所有反應(yīng)器內(nèi)的部件。所述部件包括由聚四氟乙烯(Teflon)或有機(jī)玻璃(Perspex)制成的實(shí)心支架(block)。兩個(gè)中心面內(nèi)的支架固定銅電極,其尺寸為18mmX90mm并且間隔16mm。氣體進(jìn)口和出口以及電氣穿通連接 (feedthrough)由0形環(huán)密封。為了拆卸,頂部端部板和玻璃圓筒可以是懸空的。所述射頻 (rf)功率(power)由嵌入支架中并通過快插接頭(push-in fitting)穿通連接的黃銅導(dǎo)體提供。除了反應(yīng)器,rf發(fā)生器和玻璃真空管是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的,包括冷阱,都是標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)產(chǎn)品。所有例子中采用13. 56MHz的等離子體發(fā)生器在0. 2Torr的壓力下進(jìn)行淀積。通過衡量某種功率下的淀積速率調(diào)節(jié)淀積時(shí)間從而獲得所需的膜厚度,從前面的研究已知所述淀積速率為等離子體每持續(xù)1秒厚度為lnm。玻璃基質(zhì)首先采用Piranha溶液清洗,充分地水洗并干燥。等離子體淀積前,使用40W功率將基質(zhì)用氧等離子清洗40秒。銀負(fù)載方法
通過將等離子體聚合物膜浸入0. 02M的AgNO3溶液中進(jìn)行銀負(fù)載,標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載時(shí)間為 lhr,或者在負(fù)載時(shí)間研究中為0到120min之間。銀還原方法
通過將負(fù)載銀的等離子體聚合物膜浸入0. OlM的NaBH4溶液中進(jìn)行銀還原,標(biāo)準(zhǔn)還原時(shí)間為30min,或者在還原時(shí)間研究中在0到60min之間。UV-可見光譜
采用Carry 5 UV-可見光譜計(jì)(Varian Australia Pty Ltd,墨爾本,澳大利亞)觀察并記錄UV-可見光譜。細(xì)菌抑制研究
進(jìn)行細(xì)菌抑制研究前,采用BacLight 細(xì)菌活力測定法對細(xì)菌存儲(chǔ)培養(yǎng)物(bacterial stock culture)進(jìn)行定量,以對活細(xì)菌進(jìn)行定量。每個(gè)抗菌測試載玻片放在12微孔板的孔中(一次性細(xì)胞培養(yǎng),Nimclon 表面,丹麥)并固定其中。載玻片接種107CFU/ml (近似 200μ 1)來自肉湯培養(yǎng)基的汾aMj^ococciAs epidermidis菌株ATTCC 359840所述板在 37°C下溫育4hr以使細(xì)菌菌落形成。載玻片從12-孔板中移出,并用aiil PBS(8 g/L NaCl, 0.2 g/L KCL1.44 g/L Na2HPO4 以及 0· 24 g KH2PO4,使用 HCl 調(diào)整至 pH 為 7. 4)清洗 2 次。 將200 μ 1包含10%甲醛的鹽溶液(0. 9% w/v NaCl溶液)的固定劑滴加在每個(gè)載玻片上,并且將細(xì)菌菌落固定在載玻片表面10分鐘。移除固定劑并將200μ1 BacLight 染色劑在暗房中滴加在每個(gè)載玻片上并以大約10次/分鐘輕輕搖動(dòng)15分鐘。然后將染色的載玻片用鹽溶液沖洗,并準(zhǔn)備顯影,將其放在玻璃載玻片表面上,通過放置油潤濕載玻片表面并蓋上蓋玻片。載玻片通過熒光顯微鏡(Olympus BX 40) Z顯影。結(jié)果與討論
負(fù)載銀納米顆粒的HA等離子體膜的制造
如圖1 (a)所示,使用HA作為前體以生成薄的富含胺官能團(tuán)的等離子體聚合物膜。開始使用定做的反應(yīng)器(上面描述的)將HA淀積在干凈的玻璃表面。薄等離子體聚合物膜的原子力成像顯示適當(dāng)?shù)刂苽涞哪ぐ{米孔結(jié)構(gòu)(Vasilev et a7,2008)o如圖1 (b)所示,通過將所述膜浸入AgNO3溶液中Ihr使溶液中的銀離子(Ag+)與HA胺基團(tuán)復(fù)合,從而將銀離子嵌入所述膜中。但是不希望被原理限制,可以相信上述復(fù)合根據(jù)下述反應(yīng)進(jìn)行
如圖1 (c)所示,通過將薄的等離子體膜浸入NaBH4溶液中將銀離子還原為銀納米顆粒。該過程產(chǎn)生包含嵌入其中的銀納米顆粒的薄膜聚合物表面涂層。圖2 (a)顯示了淀積過程中玻璃基質(zhì)的光學(xué)性能。淀積IOOnmHA等離子體膜后, 玻璃基質(zhì)仍然是透明的,并保持初始的光學(xué)性能。再次,浸入AgNO3溶液中(即膜上負(fù)載銀離子)后,沒有觀察到可見的玻璃基質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)改變。不過,通過將基質(zhì)浸入NaBH4溶液中銀離子還原成銀納米顆粒后,玻璃基質(zhì)的顏色變成褐黃色。表面光學(xué)性質(zhì)的改變表示嵌入膜中的銀納米顆粒的存在。圖2 (b)顯示了只負(fù)載了銀離子的玻璃基質(zhì)的吸收光譜圖,與銀離子還原成銀納米顆粒的吸收光譜圖的對比,吸收光譜從UV光到可見光光譜波長。波長420nm處的顯著吸收峰僅出現(xiàn)在還原后,表明嵌入膜中的銀納米顆粒的等離子體共振波長。納米顆粒負(fù)載濃度的調(diào)節(jié)
已經(jīng)進(jìn)行幾項(xiàng)研究以確定最有效控制嵌入膜中的銀納米顆粒濃度的方法,結(jié)果表明抗菌等離子體膜可以制成多種抗菌劑量。開始,進(jìn)行了一系列研究以了解改變等離子體淀積條件或抗菌負(fù)載條件對嵌入膜中的銀納米顆粒的濃度的影響。測量了在40W的淀積功率下形成的HA等離子體膜在波長約410-420nm處的等離子體共振強(qiáng)度,其中進(jìn)行的調(diào)節(jié)有
(a)Ag+負(fù)載時(shí)間,
(b)還原時(shí)間,以及
(c)膜厚度。
(a) Ag+負(fù)載時(shí)間
浸入AgNO3溶液中的時(shí)間對HA等離子體膜中的銀納米顆粒的最終濃度的影響基于膜的最大吸收強(qiáng)度確定。除了浸入AgNO3溶液中的時(shí)間,其他所有條件保持不變。如圖3 (a) 所示,在浸入AgNO3溶液中的120min的時(shí)間內(nèi)吸收強(qiáng)度持續(xù)增加,吸光度最大的增量出現(xiàn)在開始的0-40min內(nèi)。浸入60min后,吸光度持續(xù)增加,不過,速率較低。這些結(jié)果表明HA等離子體膜浸入AgNO3溶液中的時(shí)間的增加可以促進(jìn)HA胺官能團(tuán)對銀離子的獲得,而這反過來,可以增加銀離子還原后形成的銀納米顆粒的濃度。(b)還原時(shí)間
與上面相同,還原時(shí)間對HA等離子體聚合物內(nèi)形成的銀納米顆粒的最終濃度的影響通過觀察膜的最大吸光度變化來評(píng)估。再次,等離子體聚合條件保持不變,在NaBH4溶液中的還原時(shí)間以規(guī)則的間隔監(jiān)測60min。如圖3 (a)所示,開始的IOmin內(nèi),銀納米顆粒的形成快速進(jìn)行,30min后銀納米顆粒的總濃度幾乎加倍。從30min到60min,盡管觀察到的納米顆粒的形成持續(xù)增加,還原速率減緩了。另外,膜浸入NaBH4溶液中較長時(shí)間(即超過30min)后觀察到最大吸收波長改變了,因而觀察到波長稍微移向更長的波長,約424nm。這種等離子體共振峰的轉(zhuǎn)移,一般出現(xiàn)在較長的還原時(shí)間時(shí),申請人懷疑這種情況可以解釋為嵌入HA等離子體聚合膜中的銀離子用于已有的納米顆粒的持續(xù)生長,而最初的30min里,出現(xiàn)了成核現(xiàn)象,并且顆粒成長到了某種對于所有顆粒都正常的尺寸。(C)膜厚度
膜厚度對嵌入HA聚合物膜中的銀納米顆粒的濃度的影響通過增加淀積時(shí)間來研究, 淀積時(shí)間增加反過來會(huì)產(chǎn)生較厚的膜。如圖3(c)所示,觀察到一種相互關(guān)聯(lián)性,據(jù)此,膜厚度增加到lOOnm,嵌入的銀納米顆粒的總濃度快速增加。然而,膜厚度在約IOOnm到200nm 之間時(shí),銀納米顆粒的濃度保持不變,隨后,銀納米顆粒的濃度逐漸降低。這些結(jié)果表明增加淀積時(shí)間會(huì)導(dǎo)致HA等離子體膜的化學(xué)及表面性質(zhì)的逐步改變。申請人懷疑增加淀積時(shí)間導(dǎo)致官能團(tuán)的交聯(lián)增加,因此,減少了可用來形成銀離子復(fù)合物的官能團(tuán)的數(shù)量,并且另外減少了可用來負(fù)載銀納米顆粒的孔的數(shù)量??咕尫胖G率的調(diào)節(jié)
除了控制嵌入膜中的銀納米顆粒的濃度,也研究了膜中銀納米顆粒的截留特性的改變,從而提供了各種抗菌釋放速率的膜(即從即時(shí)釋放速率到持續(xù)釋放速率)。監(jiān)測了水溶液中HA-銀等離子體膜的銀釋放速率。如圖4 (a)所示(由正方形表示),銀納米顆粒在水系統(tǒng)中經(jīng)過氧化,這樣它們?nèi)芙馔瑫r(shí)銀離子洗脫出來。銀離子釋放速率的控制能夠使膜具有延長的或持續(xù)的抗菌銀釋放。因此,為了降低銀從HA-銀等離子體膜中釋放的速率,HA-銀等離子體膜的表面淀積了第二薄層HA,如圖4 (b)所示。(a)使用多層膜控制釋放速率
通過監(jiān)測銀離子在PBS中21天期間的洗脫,研究了涂覆有附加6nm或12nmHA等離子體膜的HA-銀等離子體膜中銀的釋放情況。通過在420nm處等離子體共振峰的強(qiáng)度改變來觀察銀離子從雙層膜中的洗脫。圖4 (a)顯示了附加6nm (由圓形表示)或12nm (由三角形表示)HA等離子體膜的淀積,與沒有附加HA等離子體膜的膜(由正方形表示)比較,降低的銀離子釋放速率,。附加的等離子體膜的厚度增加到12nm (由三角形表示)表現(xiàn)出銀離子釋放速率的進(jìn)一步降低,超過了包括6nm膜的膜(由圓形表示)。顯然,銀離子從HA-銀等離子體膜中釋放的速率能夠通過涂覆附加的表面等離子體涂層有效地控制,據(jù)此銀離子的釋放速率能夠通過涂覆更厚的表面涂層降低。HA-銀等離子體膜的抗菌性能
為評(píng)估HA-銀等離子體膜抗菌性能,HA等離子體膜、HA-銀等離子體膜和涂覆了 6nmHA 膜的HA-銀等離子體膜進(jìn)行了上述的細(xì)菌抑制實(shí)驗(yàn)。圖5 (a)顯示了細(xì)菌容易吸附在不含銀納米顆粒的HA等離子體膜上,并且4hr內(nèi)開始在表面形成菌落(colonise)。然而,相同的膜嵌入了銀納米顆粒時(shí),較少的細(xì)菌能吸附到其表面上,并且極少的細(xì)菌菌落形成能被觀察到。另外,在HA-銀等離子體膜中觀察到了淺紅色菌落的出現(xiàn),其表示細(xì)菌死亡(BacLight 染色后染成紅色/綠色)。圖5 (c)顯示了通過在HA-銀等離子體膜表面涂覆附加的HA等離子體膜形成的緩釋膜中細(xì)菌的附著及生長。經(jīng)過延長的6小時(shí)溫育期后,僅觀察到少量單細(xì)菌粘附在表面上,出現(xiàn)了 107CFU/ml 的死亡。另外,未觀察到細(xì)菌菌落形成的跡象。HA-銀等離子體膜清楚地表現(xiàn)出了至少一種超過不含銀納米顆粒的膜的抑菌活性,并且同樣的表現(xiàn)出殺菌性能。不過某些細(xì)菌能夠在HA-銀等離子體膜上觀察到,涂覆了附加HA等離子體膜的緩釋膜表現(xiàn)出了延長的殺菌性能,極大地減少了涂層表面的細(xì)菌數(shù)量。據(jù)此描述的方法提供了一種通過能夠淀積在實(shí)際中的任意類型的固體表面上的 rfgd等離子體聚合法制造抗菌涂層的高效方法。另外,負(fù)載至等離子體膜中的銀納米顆粒的濃度以及抗菌銀離子的釋放速率能夠通過改變淀積時(shí)間、銀負(fù)載時(shí)間、還原時(shí)間來控制, 或通過淀積涂覆了 HA等離子體膜的附加表面來控制。實(shí)例2嵌有銅納米顆粒的等離子體聚合物膜的制造材料和方法
該種制造上述HA-銀等離子體膜的方法可以容易的用于形成包括其他金屬納米顆粒的HA等離子體膜。Cu+和%是已知的抗菌劑,因此,銅和/或硒納米顆??梢杂糜诖鍴A 等離子體膜中的銀納米顆粒。上述方法經(jīng)過合適的改進(jìn)后可以重復(fù)使用,即改變“銀負(fù)載方法”以向HA等離子體膜中負(fù)載Cu+而不是Ag+。特別地,“銀負(fù)載方法”中0. 02M AgNO3替換為0. 02M CuNO30可以想到盡管淀積步驟或還原步驟只需要進(jìn)行小小的改變,CuNO3的濃度和銅負(fù)載時(shí)間還需要優(yōu)化。Cu+負(fù)載和釋放速率將被評(píng)估并優(yōu)化,HA-銅等離子體膜的抗菌活性可以如上述確定。實(shí)例3帶有銀納米顆粒的抗菌薄等離子體聚合物膜抗革蘭氏陰性細(xì)菌的效力實(shí)例1中,發(fā)現(xiàn)嵌有銀納米顆粒的抗菌薄等離子體聚合物膜在抑制代表性的革蘭氏陽
性細(xì)菌,即所謂的份a/^j^ococcm ^iifeiTBiiZi1S菌株ATTCC 35984,很有效果。該實(shí)例中, 研究評(píng)估了這種膜抗革蘭氏陰性細(xì)菌的效果,這種細(xì)菌通常較難以抑制。材料和方法細(xì)菌抑制研究
進(jìn)行細(xì)菌抑制研究前,采用BacLight 細(xì)菌活力檢測法對fecAericAia coli K12 (MG1655)菌株的存儲(chǔ)培養(yǎng)物進(jìn)行定量,定量其中的活細(xì)菌。根據(jù)上述實(shí)例1制備(有或沒有 HA重疊層膜(overlayer film)),玻璃基質(zhì)上的負(fù)載了銀納米顆粒的HA等離子體膜的正方形樣本(Icm2)放置在Petri培養(yǎng)皿中,膜側(cè)朝下,培養(yǎng)皿中裝有固體LB介質(zhì)(富含介質(zhì))和一圓形玻璃蓋片作為對照。隨后,將100 μ 1的存儲(chǔ)培養(yǎng)物接種至固體介質(zhì)上。各測試樣本如下
樣本1 僅為HA等離子體膜樣本2 HA-銀等離子體膜
樣本3 包括HA-銀等離子體膜和6nm HA疊層的雙層膜樣本4 包括HA-銀等離子體膜和12nm HA疊層的雙層膜樣本5 包括HA-銀等離子體膜和18nm HA疊層的雙層膜結(jié)果與討論
包含HA-銀等離子體膜的樣本的Petri培養(yǎng)皿在正方形的銀負(fù)載膜的樣本四周顯示出清楚的細(xì)菌抑制區(qū)域。使用光學(xué)顯微鏡,估測出抑菌面積。結(jié)果顯示在圖6中。明顯地,所有負(fù)載銀的樣本都有效地抑制了細(xì)菌生長。對于雙層樣本,厚度超過12nm的HA等離子體疊層(用于降低銀釋放速率),抑菌面積減少了約50%。
15
實(shí)例4嵌有銀納米顆粒的抗菌薄烯丙胺等離子體聚合物膜材料和方法
材料
如制造商所提供地使用烯丙胺(AA)、硝酸銀、氫硼酸鈉和玻璃基質(zhì)((Sigma-Aldrich, 圣路易斯,M0,美國)。使用Sia/^j^ococciAs印idermidis W^krKL 35984進(jìn)行抑菌研究, 菌株在根據(jù)制造商的說明配制的胰蛋白胨大豆肉湯(TSB)和0. 25%的葡萄糖中于37°C下培養(yǎng)過夜制得。活和/或死細(xì)菌和/或菌落采用熒光顯微鏡觀察。所有清洗過程采用超純水進(jìn)行(電阻率18.2歐姆)。等離子體聚合法等離子體聚合在定做的反應(yīng)器(61^^%1~,耵,1989)中進(jìn)行,如實(shí)例1簡要描述的。采
用13. 56MHz的等離子體發(fā)生器在0. 2Torr的壓力下進(jìn)行淀積。通過衡量某種功率下的淀積速率來調(diào)節(jié)淀積時(shí)間從而獲得所需的膜厚度(例如18nm),從前面的研究已知所述淀積速率為等離子體每持續(xù)1秒厚度增加lnm。玻璃基質(zhì)首先采用Piranha溶液清洗,充分地水洗并干燥。在等離子體淀積前,使用40W功率將基質(zhì)用氧等離子清洗40秒。在某些例子中,銀負(fù)載及還原后,涂覆一 AA疊層以制成一雙層膜。所述疊層的涂覆厚度為6nm、12nm或18nm。銀負(fù)載方法
通過將等離子體聚合物膜浸入0. 02M的AgNO3溶液中進(jìn)行銀負(fù)載,標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載時(shí)間為
Ihr。銀還原方法
通過將負(fù)載銀的等離子體聚合物膜浸入0. OlM的NaBH4溶液中進(jìn)行銀還原,標(biāo)準(zhǔn)還原時(shí)間為30min。UV-可見光譜
采用Carry 5 UV-可見光譜計(jì)(Varian Australia Pty Ltd,墨爾本,澳大利亞)檢測并記錄UV-可見光譜。細(xì)菌抑制研究
進(jìn)行細(xì)菌抑制研究前,采用BacLight 細(xì)菌活力檢測法對5 epidermidis菌株ATTCC 35984的存儲(chǔ)培養(yǎng)物進(jìn)行定量,定量其中的活細(xì)菌。每個(gè)抗菌測試載玻片放在12微孔板的孔中(一次性細(xì)胞培養(yǎng),Nimclon 表面,丹麥)并且固定其中。載玻片接種107CFU/ml (近似 200 μ 1)來自存儲(chǔ)培養(yǎng)物的S. epidermidis菌株。所述板在37 °C下溫育4hr以使細(xì)菌菌落形成。載玻片從12-孔板中移出,并如實(shí)例1中所述的進(jìn)行準(zhǔn)備,采用熒光顯微鏡進(jìn)行細(xì)菌顯影。結(jié)果與討論
負(fù)載銀納米顆粒的AA等離子體膜的制造
使用AA作為前體,采用定做的反應(yīng)器在干凈的玻璃表面生成薄的富含胺官能團(tuán)的等離子體聚合物膜。通過將所述膜浸入AgNO3溶液中Ihr,將銀離子(Ag+)與溶液中的AA胺基團(tuán)復(fù)合使銀離子嵌入所述膜中。隨后,通過將薄等離子體膜浸入NaBH4溶液中將銀離子還原成銀納米顆粒。圖7顯示了負(fù)載有銀納米顆粒的膜的吸收光譜圖(325nm到700nm) ;420nm 處的吸收峰證明了嵌入膜中的銀納米顆粒的等離子體共振波長。itm^mmmmmmm監(jiān)測銀從在水溶液中的AA-銀等離子體膜中釋放的速率。為了降低銀釋放速率,第二薄層AA (6、12或18nm)淀積在AA-銀等離子體膜表面。通過監(jiān)測420nm處等離子體共振峰的強(qiáng)度改變來監(jiān)測銀離子在PBS中21天時(shí)間段內(nèi)的洗脫。圖8顯示了附加的6nm(由圓形表示)或12nm (由指向上方的三角形表示)AA等離子體膜的淀積,對比未附加AA等離子體膜的膜(由正方形表示)銀離子的釋放速率降低。另外,附加的等離子體膜的厚度增加到 18nm時(shí)(由指向下方的三角形表示),表現(xiàn)出進(jìn)一步降低的銀離子釋放速率,膜上包括12nm 的膜(由向上方的三角形表示)。HA-銀等離子體膜的抗菌件能
為評(píng)估AA-銀等離子體膜的抗菌性能,將AA等離子體膜、AA-銀等離子體膜和涂覆了 6nm AA膜的AA-銀等離子體膜進(jìn)行了上述的細(xì)菌抑制測試。采用AA等離子體膜觀察到的結(jié)果與實(shí)例1中所述的HA膜的結(jié)果類似。也就是說,發(fā)現(xiàn)細(xì)菌容易吸附在不含銀納米顆粒的AA等離子體膜上,并且在若干小時(shí)內(nèi)開始在表面形成菌落。相反,當(dāng)相同的膜嵌入了銀納米顆粒時(shí),較少的細(xì)菌能吸附到其表面上,并且只能觀察到極少的菌落形成。另外,AA-銀等離子體膜表面包括附加的AA等離子體疊層膜, 此時(shí)僅觀察到少量單細(xì)菌粘附在表面上(經(jīng)過延長的6小時(shí)溫育期),并且未觀察到菌落形成的跡象。實(shí)例5配體固定化到嵌有銀納米顆粒的抗菌薄HA等離子體聚合物膜上
本發(fā)明的抗菌膜具有一種或多種化學(xué)反應(yīng)官能團(tuán),其能夠提供機(jī)會(huì)以提供附加的功能特性和/或改進(jìn)表面性能。為了證明這一點(diǎn),在本實(shí)例中,將聚乙二醇(PEG)固定化到具有胺基的HA-銀等離子體膜的表面,該膜根據(jù)實(shí)例1中所述的方法通過還原性胺化作用制得。 該反應(yīng)的發(fā)生僅僅是由于存在表面胺基,其能與PEG-乙醛的醛末端基團(tuán)共價(jià)反應(yīng)。材料和方法
在60°C下和PBS中反應(yīng)12小時(shí)將PEG “接枝”到HA-銀等離子體膜表面。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法對產(chǎn)品進(jìn)行XPS分析和檢測光譜分析(survey spectrum analysis)。結(jié)果與討論
在PEG固定化(“PEG接枝”)前、后進(jìn)行HA-銀等離子體膜的XPS光譜分析。PEG接枝前,從涂層的XPS光譜中可以清楚地鑒別出四種元素,即碳、氮、氧(來自等離子體聚合物膜) 和銀(來自銀納米顆粒)。高分辨率XPS光譜的Cls峰表明表面碳的主要形態(tài)是脂肪族的 (C-C、C-H鍵)。相反,PEG接枝后,由于接枝的PEG貢獻(xiàn)C-O鍵,表面的化學(xué)組分中的主要峰出現(xiàn)在XPS光譜的Cls區(qū)。檢測光譜中也出現(xiàn)了這種改變。由于PEG疊層的存在,銀和氮峰的強(qiáng)度降低。由于PEG中存在C-0,氧含量也增加了。另外,為了表明PEG接枝后銀納米顆粒仍留在膜層中,進(jìn)行了 UV-可見光譜分析 (參見圖9)。該圖表明盡管PEG接枝中包含的反應(yīng)毫無疑問地會(huì)導(dǎo)致銀納米顆粒的氧化,但是由于銀納米顆粒的存在,PEG接枝后,仍然存在等離子體共振吸收。不過,稍稍向較短的波長偏移以及強(qiáng)度的微小降低表明氧化過程已經(jīng)發(fā)生了,但程度有限。本實(shí)例的結(jié)果表明銀納米顆粒負(fù)載到HA等離子體聚合物膜上后,聚合物基質(zhì)的表面仍能得到足夠數(shù)量的胺官能團(tuán),并且能夠用于固定化各種配體,如化合物以及生物分子(蛋白質(zhì)、肽等)。
貫穿本說明書的詞語“包括”(comprise)或者各種如“包含”(comprises)或“包括”(comprising)可以理解為意指包括所述的元素、整體(integer)或者步驟,或者元素、 整體或步驟的組,但不排除任意其他的元素、整體或步驟,或者元素、整體或步驟的組。所有說明書中提到的公開這里都作為參考引入。任何文獻(xiàn)、法規(guī)、材料、儀器、文章或類似物的討論都包括在本發(fā)明說明書內(nèi),其目的僅僅是提供本發(fā)明的背景。不應(yīng)該認(rèn)為由于其在本申請的每條權(quán)利要求的優(yōu)先權(quán)日期前出現(xiàn)在澳大利亞或其他地方,任意或所有這些內(nèi)容構(gòu)成部分在先技術(shù)基礎(chǔ)或者是本發(fā)明相關(guān)領(lǐng)域的公知常識(shí)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解可以對本發(fā)明如所示的具體實(shí)施例進(jìn)行大量變更和/ 或改進(jìn),而不脫離本發(fā)明廣義描述的實(shí)質(zhì)或范圍。因此,本發(fā)明實(shí)施例僅作為示例性使用, 而不是限制性。參考文獻(xiàn)
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權(quán)利要求
1.一種膜,包含具有滲透性的聚合物基質(zhì),所述聚合物基質(zhì)中帶有一種或多種官能團(tuán)以及在所述聚合物基質(zhì)中嵌有一種或多種無機(jī)物納米顆粒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膜,其中聚合物基質(zhì)是多孔的聚合物基質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的膜,其中聚合物基質(zhì)是等離子體聚合物基質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任一項(xiàng)所述的膜,其中聚合物基質(zhì)的厚度在約5nm到約 150nm之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中的任一項(xiàng)所述的膜,其中聚合物基質(zhì)的厚度在約5nm到約25nm 之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中的任一項(xiàng)所述的膜,其中無機(jī)物是基本純態(tài)的非碳元素。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的膜,其中非碳元素是銅、銀、硒或它們的組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6中的任一項(xiàng)所述的膜,其中聚合物基質(zhì)由選自烷基胺組成的組中的單體形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的膜,其中單體是正庚胺、烯丙胺或它們的組合。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中的任一項(xiàng)所述的膜,其中所述膜是多層膜,其包括第一和第二聚合物膜層,所述第一膜層包含一聚合物基質(zhì),該聚合物基質(zhì)帶有一種或多種官能團(tuán)以及在所述聚合物基質(zhì)內(nèi)嵌有一種或多種無機(jī)物納米顆粒;并且其中所述第二膜層為所述膜提供了附加的功能性特性和/或改進(jìn)了第一膜層的性能。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的膜,其中第二膜層改進(jìn)了無機(jī)物從第一膜層中滲透出的滲透性,從而使得多層膜以持續(xù)的方式釋放所述無機(jī)物。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的膜,其中所述膜包括至少一第三膜層,其包含有用的配體。
13.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的膜,其中第二膜層的厚度從約5到約25nm。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-13中的任一項(xiàng)所述的膜,其中所述膜作為涂層應(yīng)用于合適的基質(zhì)表面。
15.一種用于將一膜涂覆到合適的基質(zhì)上的方法,所述方法包括步驟(i)通過等離子體聚合法淀積并聚合包含一種或多種官能團(tuán)的單體,以在所述表面形成具有滲透性的聚合物基質(zhì);( )將無機(jī)物與所述官能團(tuán)復(fù)合;以及(iii)還原所述無機(jī)物,以形成一種或多種所述無機(jī)物的納米顆粒;其中所述一種或多種無機(jī)物納米顆粒嵌入所述聚合物基質(zhì)中。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法,其中聚合物基質(zhì)是多孔聚合物基質(zhì)。
17.根據(jù)權(quán)利要求15或16所述的方法,其中淀積和聚合單體的步驟采用射頻輝光放電 (rfgd)等離子體聚合法進(jìn)行。
18.根據(jù)權(quán)利要求15-17中的任一項(xiàng)所述的方法,其中單體是正庚胺、烯丙胺或它們的組合。
19.根據(jù)權(quán)利要求15-18中的任一項(xiàng)所述的方法,其中由步驟(i)到(iii)制成的膜構(gòu)成包含第一聚合物基質(zhì)的第一膜層,所述第一聚合物基質(zhì)帶有一種或多種官能團(tuán)以及在所述聚合物基質(zhì)內(nèi)嵌有一種或多種無機(jī)物納米顆粒,該方法進(jìn)一步包括步驟(iv)將第二膜層涂覆到第一膜層的表面,從而產(chǎn)生多層膜。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法,其中該方法進(jìn)一步包括步驟(ν)在第二膜層表面涂覆第三膜層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種活性聚合物膜,其包含具有滲透性的聚合物基質(zhì),所述聚合物基質(zhì)帶有一種或多種官能團(tuán)以及在聚合物基質(zhì)內(nèi)嵌有一種或多種無機(jī)物如銅或銀納米顆粒以提供抗菌性能。
文檔編號(hào)D06M15/61GK102317537SQ200980156944
公開日2012年1月11日 申請日期2009年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月17日
發(fā)明者H·J·格里瑟, K·A·瓦斯列夫 申請人:南澳大學(xué)
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