超滑抗菌硅膠導(dǎo)尿管的制備與性能研究

李育強，智倩倩△，楊茂麗，孔曉穎

(1.青島明藥堂醫(yī)療股份有限公司，青島 266111;2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)，青島 266109)

1 引 言

醫(yī)院感染將成為全球性日益嚴重的公共衛(wèi)生問題。每年大約有500萬例醫(yī)院感染，其中尿路感染是最常見的院內(nèi)感染[1]。隨著研究者們對硅膠材料抗菌涂層的深入研究[2-5]，國際市場上已逐步涌現(xiàn)各種類型的高端超滑抗菌器械產(chǎn)品，并形成技術(shù)壟斷。此外，導(dǎo)尿管在臨床上需要長期或短期置入人體組織，每次插入或拔出，患者會有不同程度的疼痛感[6-7]，主要因為導(dǎo)尿管表面與肌體組織的摩擦系數(shù)較大、黏膜部位的細菌感染。因此，研制兼具高生物安全性、抗菌性能及超滑性能的導(dǎo)尿管具有重要的臨床意義[8-9]。

目前國內(nèi)外大多通過浸泡、噴涂等工藝將納米銀涂層涂覆與器械表面[10]，但隨著含銀制品的潛在毒性[11-12]引起人們的廣泛關(guān)注，國家食品藥品監(jiān)督管理總局對含銀醫(yī)療器械監(jiān)管力度的加大。本研究通過光催化接枝的方法制備出超滑抗菌涂層，比較抗菌劑牡丹酚和目前市面常見的醋酸氯己定的抗菌性能及抗菌時效。本工藝適用于導(dǎo)流管、喉罩、胃食管、洗胃器、洗胃管、吸痰管、肛門管、吸引連接管、腦科吸引管等硅膠和非硅膠醫(yī)用品領(lǐng)域中，不僅能夠彌補國內(nèi)醫(yī)療器械高端涂層技術(shù)的空白，打破國外企業(yè)的技術(shù)壟斷，對社會公共衛(wèi)生安全和改善民生具有重大意義。

2 實驗部分

2.1 超滑涂層的制備

本研究采用的裸管為純硅膠導(dǎo)尿管，通過光催化接枝的方法，將親水性高聚物聚丙烯酸接枝到硅膠導(dǎo)尿管外表面，制備出含有超滑親水涂層的導(dǎo)尿管，滅菌處理備用。

2.2 抗菌涂層的制備

將導(dǎo)尿管通過接枝法進行抗菌處理，分別選取醋酸氯己定A及牡丹酚B兩種作為抗菌成分，制備得到抗菌導(dǎo)尿管，滅菌處理備用。

2.3 性能表征

2.3.2樣品形貌表征 采用掃描電子顯微鏡S-3400N進行掃描分析樣品的形貌，觀察親水涂層、醋酸氯己定A及牡丹酚B親水抗菌涂層的厚度。

2.3.3接觸角 采用接觸角測量儀JC 2000a，通過液滴法進行涂層接觸角的測試，評價裸管、超滑導(dǎo)尿管、A超滑抗菌導(dǎo)尿管及B超滑抗菌導(dǎo)尿管的表面涂層親水性能。

2.3.4涂層附著力測試 根據(jù)ASTM D3359-02法測試涂層與裸管基體間附著力。

2.3.5涂層表面摩擦系數(shù)的測定 采用MXD-02摩擦系數(shù)儀對涂層的表面摩擦性能進行測定，評價裸管、超滑導(dǎo)尿管、A及B超滑抗菌導(dǎo)尿管的表面涂層潤滑性能。

2.3.6體外模擬抗菌性能測定

依照YY0325-2002《一次性使用無菌導(dǎo)尿管》及《消毒技術(shù)規(guī)范》(2002版)2.8.1.2抑菌環(huán)實驗法，選取大腸桿菌、金黃色葡萄球菌兩種菌種，對樣品進行體外模擬抗菌性能測試，以未進行涂層處理的硅膠導(dǎo)尿管(即裸管)作為對照。

2.3.7加速穩(wěn)定性能試驗 將經(jīng)環(huán)氧乙烷滅菌的超滑抗菌導(dǎo)尿管放置于40℃、RH 60%的恒溫恒濕箱中，恒溫加速4個月，每月取出對導(dǎo)尿管的外觀、潤滑性、脫落情況、抑菌性等性能進行檢測。涂層脫落情況是將導(dǎo)尿管浸泡于模擬尿液中，并于37℃環(huán)境下，每天更換尿液，觀察30 d內(nèi)有無脫落。

2.3.8統(tǒng)計學(xué)處理 應(yīng)用SPSS軟件進行數(shù)據(jù)處理，分析數(shù)據(jù)間是否存在顯著性差異。

3 結(jié)果

3.1 紅外光譜結(jié)果

紅外光譜表征分析結(jié)果見圖1。788、1008、1258、2962 cm-1等峰是硅膠導(dǎo)尿管基材的特征峰，對比超滑導(dǎo)尿管、A及B超滑抗菌涂層導(dǎo)尿管與裸管的紅外光譜可知，超滑涂層成功地引入羧酸鹽離子吸收帶特征峰1456、1543 cm-1，此外A超滑抗菌涂層中出現(xiàn)的1636、3206 cm-1是抗菌劑洗必泰中胍類特征峰，說明成功將抗菌劑洗必泰引入至涂層中；而B超滑抗菌涂層中1716 cm-1特征峰明顯增強，1716 cm-1是抗菌成分B中的酯基C=O雙鍵伸縮振動峰，說明成功引入B抗菌成分。

沉砂池采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，形狀為方形或長方形。池下部分層填入卵石。最下層放10 mm左右粒徑的石子100 mm厚，其上放粒徑6 mm左右石子100 mm厚，再上放粒徑3 mm左右石子100 mm厚，最上層放粒徑1～2 mm小石子50 mm厚，墊層總厚度350 mm。墊層上鋪設(shè)鉆孔水管，外包棕皮或編織布，用水管導(dǎo)出，進入供水管道。經(jīng)沉砂池過濾的水含砂量已減小，減輕了自來水廠水處理難度，縮短了處理、凈化時間，可以保證洪水期需水要求。

圖1硅膠裸管、超滑導(dǎo)尿管、A及B超滑抗菌導(dǎo)尿管紅外光譜圖

Fig1Infraredspectraofsiliconetube,superslidecatheter,superslideantibacterialcatheterAandB

結(jié)合上述結(jié)果分析，可知在導(dǎo)尿管外側(cè)分別發(fā)生超滑親水高聚物的接枝以及抑菌劑的接枝反應(yīng)。其接枝機理見圖2。

(1)硅膠基體首先在光催化劑的作用下，發(fā)生奪氫產(chǎn)生自由基。本研究采用的光引發(fā)劑BP是一種奪氫型光引發(fā)劑，經(jīng)紫外光照射后，從硅膠基體表面進行奪氫產(chǎn)生大量的自由基(步驟a)，為后續(xù)的接枝共聚反應(yīng)作準備。

(2)與帶有羧基的單體丙烯酸AA接枝。將經(jīng)光引發(fā)劑處理后的硅膠基體置于帶有羧基的丙烯酸溶液中時，同時在紫外光照射下單體AA被接枝到基體表面上(步驟b)；隨著單體接枝反應(yīng)(步驟c)的進行，同時增加自由基增長點，與更多的單體產(chǎn)生交聯(lián)(步驟d)形成新的接枝鏈；同時聚合物表面大量的氫也可被光引發(fā)劑作用發(fā)生奪氫產(chǎn)生自由基，引發(fā)二次接枝交聯(lián)反應(yīng)(步驟e)，最終形成高聚物親水涂層。

(3)抗菌劑洗必泰A、牡丹酚B的接枝機理：同樣，在光引發(fā)劑BP的作用下，洗必泰A中的碳氮雙鍵打開，與基體表面自由基形成接枝交聯(lián)步驟(步驟f、g)；牡丹酚B中的苯羥基在溶液中電離脫氫(步驟h)后，與基體自由基發(fā)生接枝反應(yīng)(步驟i)。

3.2 樣品形貌表征

裸管、A超滑抗菌導(dǎo)尿管及B超滑抗菌導(dǎo)尿管的掃描電鏡結(jié)果見圖3，編號A超滑抗菌導(dǎo)尿管涂層明顯地分成兩層，分別為親水涂層a及抗菌涂層b；涂層總厚度約19.13 μm，其中抗菌涂層b厚度約為4.29 μm。B超滑抗菌導(dǎo)尿管的涂層非常致密、均勻，且親水涂層及抗菌涂層融為一體，涂層厚度約為102.2 μm，約為A涂層厚度的5倍，表面形貌呈現(xiàn)均勻的渦流狀。

圖2 涂層光催化接枝機理

Fig2Mechanismofphoto-catalyticgraftingofcoatings

圖3裸管、A超滑抗菌導(dǎo)尿管及B超滑抗菌導(dǎo)尿管的掃描電鏡圖片

Fig3SEMphotosofthenakedtube,supersmoothantibacterialcatheterAandB

3.3 接觸角

裸管、超滑導(dǎo)尿管、A超滑抗菌導(dǎo)尿管及B超滑抗菌導(dǎo)尿管的接觸角實驗結(jié)果、見圖4，從圖中可以看出裸管接觸角為113.2°，表面為疏水性，進行涂層修飾的導(dǎo)尿管接觸角介于47°至55°之間，表面均表現(xiàn)為親水性，且B超滑抗菌導(dǎo)尿管的接觸角小于A超滑抗菌導(dǎo)尿管。

3.4 附著力

按照ASTM D3359-02法測試涂層附著力，其結(jié)果見表1。親水涂層及B超滑抗菌涂層切口邊緣無任何剝落、完全光滑，附著力最佳(0級)；A超滑抗菌涂層極少部分有剝落，附著力等級為1級；而市售超滑抗菌導(dǎo)尿管涂層的附著力最差，脫落面積約4.2%。

圖4裸管、超滑導(dǎo)尿管、A超滑抗菌導(dǎo)尿管及B超滑抗菌導(dǎo)尿管表面接觸角照片對比

Fig4Comparisonofthesurfaceangleofthenakedtube,superslidecatheter,superslideantibacterialcatheterAandB

表1 附著力測試結(jié)果

3.5 摩擦性能

圖5、圖6、圖7分別為裸管及三種不同涂層的導(dǎo)尿管摩擦力測試對比曲線圖、靜摩擦力及動摩擦力測試數(shù)據(jù)。根據(jù)圖6測試結(jié)果，裸管、超滑導(dǎo)尿管、市售超滑抗菌導(dǎo)尿管及樣品B超滑抗菌導(dǎo)尿管的靜摩擦力分別為3.377±0.165 N，2.364±0.429 N，0.037±0.012 N，0.029±0.0.033 N。如圖7所示，裸管、超滑導(dǎo)尿管、市售超滑抗菌導(dǎo)尿管及樣品B超滑抗菌導(dǎo)尿管的動摩擦力分別為3.189±0.165 N，2.444±0.429 N，0.043±0.012 N，0.012±0.033 N。三種不同涂層導(dǎo)尿管的靜摩擦力及動摩擦力均小于裸管，且市售超滑抗菌導(dǎo)尿管及樣品B超滑抗菌導(dǎo)尿管的靜、動摩擦力均遠遠小于超滑導(dǎo)尿管，存在顯著性差異(P<0.05)。相對較而言，樣品B超滑抗菌導(dǎo)尿管的靜摩擦力、動摩擦力分別約為市售超滑抗菌導(dǎo)尿管的78.4%及27.9%，表明樣品B超滑抗菌導(dǎo)尿管具有較低的摩擦性能、更加優(yōu)異的潤滑性能。

圖5裸管、超滑導(dǎo)尿管、市售超滑抗菌導(dǎo)尿管及B超滑抗菌導(dǎo)尿管的摩擦力測試曲線

Fig5Frictiontestcurvesofthenakedtube,superslidecatheter,themarketsalesuperslidecatheterandBantibacterialsuperslidecatheter

圖6裸管、超滑導(dǎo)尿管、市售及B超滑抗菌導(dǎo)尿管涂層的靜摩擦力測定

Fig6Thestaticfrictiondeterminationofthenakedtube,superslidecatheter,themarketsalesuperslidecatheterandBantibacterialsuperslidecatheter

圖7裸管、超滑導(dǎo)尿管、市售及B超滑抗菌導(dǎo)尿管涂層的動摩擦力測定

Fig7Thedynamicfrictiondeterminationofthenakedtube,superslidecatheter,themarketsalesuperslidecatheterandBantibacterialsuperslidecatheter

3.6 體外抑菌性能測定

圖8為市售及A、B超滑抗菌導(dǎo)尿管在體外模擬抗菌試驗中浸泡不同時間的抑菌環(huán)照片，對比圖9抑菌環(huán)直徑隨浸泡天數(shù)增加的變化，隨著浸泡時間的延長，A和B超滑抗菌導(dǎo)尿管的抑菌環(huán)直徑均呈現(xiàn)緩慢下降趨勢。市售超滑抗菌導(dǎo)尿管在浸泡第二天，其對大腸桿菌及金黃色葡萄球菌的無抑菌性；A導(dǎo)尿管在浸泡3 d后，對大腸桿菌的抑菌環(huán)直徑小于9 mm，說明該導(dǎo)尿管體外持續(xù)抗菌時間小于3 d，而B超滑抗菌導(dǎo)尿管在浸泡40 d以上，對大腸桿菌的抑菌環(huán)直徑依然大于9 mm(裸管直徑8 mm)，依然具有抑菌作用；說明后者的持續(xù)抗菌時間約為前者的13倍以上。

圖8市售及A、B超滑抗菌導(dǎo)尿管浸泡模擬尿液不同時間后的抑菌環(huán)圖片

Fig8Theantibacterialringsofthemarketsalesuperslidecatheter,superslideantibacterialcatheterAandBaftersoakedatdifferenttime

圖9A、B超滑抗菌導(dǎo)尿管的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌抑菌環(huán)直徑隨浸泡天數(shù)的變化曲線

Fig9DiameterchangecurvesofbacteriostaticringagainstE.coliandStaphylococcusAureus

3.7 加速穩(wěn)定性能

從表2穩(wěn)定性加速試驗結(jié)果中可以看出超滑抗菌涂層A在加速3個月時出現(xiàn)抑菌性能不合格，而超滑抗菌涂層B在加速前后均無任何變化，穩(wěn)定性能更優(yōu)異。

4 討論

目前，國內(nèi)外醫(yī)療器械涂層均存在生物安全性低、脫落率大、抗感染時間短、摩擦力大等現(xiàn)狀。針對臨床植入器械所產(chǎn)生的微生物黏附細菌感染和植入部位粘膜組織損傷，及其引起的毒性和過敏等問題，亟需開展醫(yī)療器械涂層牢固性、功能持久性、療效穩(wěn)定性涂層材料技術(shù)的開發(fā)。本研究所采用的B抗菌劑牡丹酚經(jīng)粘膜刺激實驗及皮膚刺激實驗結(jié)果分別為0.33、0.29，表明其對粘膜及皮膚是無刺激性的。

表2 穩(wěn)定性加速試驗結(jié)果

本研究通過光催化接枝的方法成功地將超滑、抗菌涂層依次接枝到導(dǎo)尿管表面，制備得到兼具超滑性能和抗菌性能的新型超滑抗菌導(dǎo)尿管，并對其各項性能進行研究。根據(jù)紅外光譜結(jié)果可看出，超滑涂層制備工藝將親水基團酯基和羧酸鹽成功接枝到裸管表面，明顯改善裸管的親水潤滑性能。同時，B導(dǎo)尿管涂層進一步引入大量的羧酸鹽親水基團，從涂層的接觸角及摩擦力兩方面均能說明B導(dǎo)尿管能夠進一步提高涂層的潤滑性能，其動摩擦力可低至0.012 N，低于市場優(yōu)質(zhì)的超滑抗菌產(chǎn)品。

另外，接枝抗菌成分的過程中，A中的親水涂層與抗菌涂層兩體系之間相容性較差，造成親水涂層的脫落及親水涂層與抗菌涂層的分離；由于親水涂層與B抗菌涂層引入的特征基團結(jié)構(gòu)具有相似性，在兩種涂層的制備過程中兩體系之間具有良好的相容性，使得B中親水涂層與抗菌涂層二者之間融為一體、沒有明顯的界限。因此，在掃描電鏡結(jié)果中可觀察到，B超滑抗菌導(dǎo)尿管的涂層較A超滑抗菌導(dǎo)尿管更致密、更均勻、涂層更厚。

由于B導(dǎo)尿管抗菌與親水涂層之間完美的結(jié)合，使得其抗菌過程達到緩慢釋放的效果，實現(xiàn)長期抗菌的目的，抗菌時間可達40 d以上，遠高于現(xiàn)有文獻報道及市場產(chǎn)品[14-16]。有利于產(chǎn)品在中長期導(dǎo)尿管的持續(xù)使用，有效減少微生物感染。

綜上所述，從持續(xù)抗菌時間、潤滑性、穩(wěn)定性、涂層脫落等方面進行綜合分析，通過光催化接枝的方法所制備出的B超滑抗菌導(dǎo)尿管具有更加優(yōu)異的潤滑性能和抑菌性能，可以滿足臨床使用需求，具有重要的臨床價值和廣闊的市場前景。