一种抗生物垢涂层说明材料分子设计.docx

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1、41一种抗生物垢涂层材料分子设计摘要抗生物垢材料广泛应用于医疗器械、生物传感器、食品工业、水净化系统以及海洋工业等领域。目前制备抗生物垢材料的一种主要方法是通过基材表面的官能化来固定抗生物垢性能的分子,以实现抗生物垢附着的性能。在这些抗生物垢分子中,含有正电荷和负电荷的两性离子聚合物由于其强烈的静电水合作用而表现出优异的抗生物垢性能。材料表面围绕两性聚合物链形成一个紧密结合的水合层而能够抵抗非特异性蛋白质吸附。由于带单电荷的单体比双性离子单体更容易制备,目前已经开发出带单电荷或者正负电荷平衡的抗生物垢材料。但是,这些抗垢材料随着时间推移抗生物垢性能退化是一个非常大的问

2、题。短期抗生物垢已经取得了一定进展,现在这一领域的研究密切关注长期抗生物垢材料的设计。在本文中,采用一个简单的方法制备出具有长期抗生物垢性能的涂层。通过迈克尔加成反应制备具有强粘附性的带有邻苯二酚结构的可光聚合单体多巴胺甲基丙烯酸(DMA),在载玻片表面吸附多巴胺甲基丙烯酸(DMA)形成单分子膜,并通过光聚合反应接枝上双性离子单体以及单电荷单体得到抗生物垢涂层。DMA在各种基材表面都有很好的粘附性,能够锚定抗生物垢分子,起到基材与抗垢单体紧密连接的桥梁作用,为涂层带来耐久性抗生物垢的能力。研究得到以下结论:1、DMA通过自组装作用在载玻片表面形成了均一、平整的DMA单

3、41分子膜表面。由于DMA中的儿茶酚结构被氧化成醌,与载玻片产生牢固的粘结,能够锚定聚合物分子,为耐久性抗垢提供前提条件。2、光聚合是一种简单、快速制备抗生物垢涂层的方法。由DMA锚定的双性离子聚合物pSBMA涂层具备非特异性抗生物垢的能力。两性离子由于电荷平衡形成致密水合层是其能够防止生物垢粘附的原因。在两周的细胞粘附实验中发现涂层仍然能够抗细胞粘附,为证实涂层的更长时间的抗生物垢性能提供了前提依据。此外,DMA锚定层是涂层具备耐久性抗垢性能的决定性条件。3、表面正负电荷平衡是抵抗非特异性生物垢粘附的关键因素。而单电荷表面能够抵抗某些特定的生物垢。由于细菌、蛋白、细

4、胞等生物垢表面所带电荷与其的等电点有关,在不同的溶液中可能带不同种的电荷,因此调整涂层表面所带电荷的正、负电性可以抵抗表面带不同电荷的生物垢的粘附。这为制备抗特异性生物垢粘附的涂层提供了一种简单、灵活、有效的方法。关键词:抗生物垢,光聚合,多巴胺甲基丙烯酸胺,双性离子单体,耐久性41第一章绪论1.1抗生物垢材料的发展以及分类1.1.1生物垢的危害生物垢是指附着和积累在材料表面的微生物、蛋白质、海洋生物等污染物[1]。生物垢的危害在生物传感器、医疗器械[2]、生物设备[3,4]、食品工业[5]、还有船舶和工业设备[6,7]等众多方面受到了前所未有的关注。微生物污染以及相

5、应的感染在食品工业,医院和社区设施中是最严重的并发症之一[8]。表面细菌的粘附将会导致随后的细菌繁殖,最终导致生物膜的形成[9]。在生物移植体例如导尿管,假肢,隐形眼镜上形成的生物膜将会导致感染。医疗器械的生物膜介导感染典型的处理方法包括更换已污染的外科手术设备、增加抗生素使用量,这些方法都会产生额外的医疗费用,并且经常与长时间住院治疗、病态、严重的功能障碍以及死亡率增加相关联。当涉及到由细菌特别是对抗生素有抗药性的菌株粘附引起威胁生命的感染性疾病时,生物垢污染会引来极大的关注。蛋白质的吸附将会降低体外诊断例如免疫学检测的灵敏度[10]。生物移植体表面的蛋白质垢将会降

6、低设备的效率进而可能导致如血栓等有害副作用。此外,生物移植体的蛋白质吸附以及随后在表面形成的蛋白质层为微生物繁殖和生物膜的形成提供了一个调节层。抵抗蛋白质和微生物非特异性吸附同样在医用导尿管,假肢和隐形眼镜,免疫分析例如酶联免疫吸附试验,药物传输设备以及细胞培养材料领域[11]至关重要。生物垢对海上工业有特别严重的影响,它使船舶外表面恶化,粗糙度增加,油耗增加甚至使船舶失去可操纵性。与生物垢相关的关键问题包括:因管道和船体污垢增加的运营和维护成本,非生物材料的降解等等[12]。海洋生物垢是一个世界性的难题,每年因海洋生物垢污染在运输上要多花费十亿美元[13]。1.1.

7、2抗生物垢材料的发展最早的抗生物垢技术包括沥青、焦油、蜡、重金属(铅)或者有毒涂料(含砷涂料)。在60年代中期,第一种持久有效、低成本的三丁基锡(TBT基化合物)自抛光抗垢涂料被研发出来。TBT作为一种广谱性杀生物剂加入到涂料中,它能够从涂层释放并在5年内有效阻止生物垢粘附在船体上。但是,后来的一些研究表明,三丁基锡类化合物由于其高度持久的毒性会对水生生物,尤其是对不是抗垢目标的生物例如牡41蛎产生不利影响[14]。2001年10月,考虑到TBT对海洋环境的不利影响,国际海事组织禁止在海洋环境中使用TBT涂料。由于TBT的使用限制导致再次使用基于铜的

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