疏水改性单宁酸涂层材料的构建及其抗菌与止血应用研究
细菌感染和创伤后大量出血严重威胁着人类的生命健康，现有抗菌和止血医用材料/器械的性能仍难以满足临床需求。医用材料/器械与生物体相互作用以实现目标生物医学功能的过程中，材料表面结构与性能常发挥着关键作用。因此，新型高性能抗菌止血器械开发中，如何对现有医用材料进行有效的功能化表面改性，在不改变原有医学功能和应用场景的基础上满足临床需求是一项需解决的关键科技问题。此外，在新型医用涂层研究中，涂覆工艺简便（易于规模化制备）和血液相容性也十分重要。针对上述问题，本论文拟通过单宁酸的疏水改性开发工艺简单和良好血液相容性的涂层材料，并探索和优化其抗菌和止血应用。 针对阳离子化合物和聚合物用于医用材料/器械表面抗菌功能化中存在改性工艺复杂和血液相容性较差的问题，第二章中通过在单宁酸骨架上同时接枝疏水性长烷基链和正电性烷基季铵盐，制备了疏水正电性单宁酸衍生物（AQTA）作为新型涂层材料。选择可作为医用导管常用基材的热塑性聚氨酯片材（TPU），研究了AQTA涂层对高分子医疗器械的表面抗菌功能化应用。利用AQTA在乙醇中溶解/水中不溶解的特性，简便的乙醇溶液浸泡过程即可使TPU表面固定不同含量的涂层（溶液浓度调控）。由于分子结构中长烷基季铵盐的存在，AQTA显示出对大肠杆菌（E.coli）、金黄色葡萄球菌（S.aureus）的高抗菌性能。在此基础上，AQTA涂层改性的TPU也对这两种细菌表现出优异的表面接触杀菌性能。特别指出的是，生理盐水浸泡实验证明AQTA涂层在TPU表面溶出率极低，因而浸提液也具有良好的血液相容性和低细胞毒性。小鼠皮下埋植实验，证明AQTA涂层改性的TPU可以有效控制/避免植入物污染引起的体内细菌感染。 针对阳离子化合物在止血方面促凝血性能的不确定性，第三章中，通过将市售医用海藻酸敷料（AD）浸泡在不同低浓度的AQTA乙醇溶液（0.5，1，2mg/mL）中，制备了三种不同含量的AQTA改性AD（AD-A0.5，AD-A1和AD-A2），且三种AD-A的浸提液均具有低溶血和高细胞相容性。体外实验证明中等涂层含量的AD-A1具有比AD更优的促凝血性能，作用机制在于正电性涂层提高了血小板粘附；进一步地，两种典型的大鼠大出血模型也证明了AD-A1相比于AD具有更好的体内止血效果。关于正电性AQTA涂层的促凝功能化设计也有一些有趣发现：1)AD-A0.5和AD-A2具有比AD-A1更低和更高含量的涂层，却均未能提高负电性AD的凝血性能；2)AQTA改性的负电性医用纱布（G）也仅在中等/适度涂层含量下可提高体外凝血性能和血小板粘附；3)AQTA改性的正电性壳聚糖敷料（CS）反而显示涂层明显降低了凝血性能和血小板粘附。结合三种敷料的不同表面结构和体外凝血数据，正电性涂层对提高敷料凝血性能（促凝血功能表面）的设计启示被初步揭示，即需要综合考虑涂层正电性及其含量和敷料原有表面结构（如正负电敷料对血浆蛋白吸附的不同作用）以优化出适合血小板粘附的温和作用表面、进而实现促凝血功能化。 针对第三章中基于AQTA涂层改性医用敷料在医用材料/器械的促凝血功能化方面存在须精细调控涂层含量以及对初始材料表面有限制的问题，第四章中，通过在单宁酸骨架上接枝疏水长烷基链，构建了单一疏水改性的单宁酸衍生物（ATA）作为通用型促凝血功能化涂层。将医用纱布浸泡在高浓度（8mg/mL）的ATA乙醇溶液可将亲水性G转变为强疏水表面的改性纱布（G-ATA-8，水接触角130°）。由于ATA涂层带来的强疏水表面特性，G-ATA-8具有比G更优的体外凝血性能（主要机制在于更高的血小板粘附），还可显著抑制细菌粘附，并在大鼠和兔股动脉损伤模型中表现出优异止血效果。特别的是，未改性CS自身也具有强疏水性，仍可通过高含量的ATA涂层提高其体外凝血性能和大鼠股动脉止血效果。在此基础上，ATA涂层被应用于自制明胶海绵颗粒（粉碎自医用海绵敷料，GSP）和市售PVA颗粒的表面改性。结果显示涂层可提高GSP干、湿两种使用场景下的凝血性能——前者表现为更好的大鼠股动脉止血效果，后者为兔凝血功能障碍下的肾动脉栓塞效果（湿态GSP的临床应用场景）——作用机制均为ATA涂层提高血小板粘附，且ATA涂层的促凝血性能对改性PVA颗粒也适用。 综上所述，本论文利用单宁酸的疏水化学改性，构建了两种疏水改性涂层材料，二者都可以通过简便的乙醇溶液浸泡法在高分子医用材料表面固定且涂层含量易于调节。本论文还通过探索和优化两种涂层改性对多类型医用材料的抗菌和促凝血功能化，开发出系列具有优异抗菌和止血效果的医用材料/器械，具有良好的临床应用前景。
医用材料;单宁酸涂层;疏水改性;抗菌性能;止血性能
北京化工大学
博士
材料科学与工程
徐福建
2022
中文
R318.08
2022-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）