抗感染导尿管新型纳米复合材料的研制

81抗感染导尿管新型纳米复合材料的研制罗凯祝方明*中山大学化学与化学工程学院，广州，510275摘要本论文采用聚合物改性蒙脱土插层复合方法研制出硅橡胶/蒙脱土负载抗菌药物纳米复合材料，研究了不同药物的改性效果，并用广角X射线衍射和红外光谱对其微观结果及缓释效果进行分析和表征，证实该材料具有控制药物缓释的作用，达到了长期抗感染的目的，同时还提高了此材料的物理机械性能，提高了导尿管用材料的性价比和附加值。关键词抗感染；硅橡胶；蒙脱土；纳米复合材料医用导尿管是医院临床运用非常广泛的医疗用具，但留置导尿引起的导管相关感染是临床非常棘手的问题。目前临床处理的措施一般有：1、及时更换导管，但使用周期短；2、预防冲洗，效果差；3、应用抗生素，效果不佳而且对人体有副作用。随着医用新材料的发展，从根本上解决导尿管自身的缺陷，是控制导尿管相关感染的研究方向。聚合物/蒙脱土层状硅酸盐纳米复合材料是近10年来迅速发展起来的新型交叉科学，由于聚合物纳米复合材料具有常规聚合物复合材料所没有的结构、形态以及较常规聚合物复合材料更优异的物理力学性能、耐热性能等，显示出重要的科学意义和应用前景。我们通过聚合物改性蒙脱土插层复合方法研制出硅橡胶/蒙脱土负载抗菌药物纳米复合材料，具有控制药物缓释的作用，从而达到长期抗感染的目的，提高了导尿管用材料的性价比和附加值，同时还可以提高此材料的物理机械性能。蒙脱土是一种具有天然一维纳米级薄层结构的矿物[1]，由两层Si-O四面体中间夹一层Al-O八面体组成的层状硅酸盐晶体，层间有可交换的阳离子Na+,K+,Ca2+,Mg2+等，利用蒙脱土的阳离子交换性能将插层剂或聚合物单体插入到蒙脱土片层间，使其以单层或数层（纳米级尺寸）分散于聚合物基体中，形成纳米复合材料。1、实验部分1.1原料及试剂蒙脱土（MT）化学纯上海试剂四厂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）分析纯上海伯奥生物科技有限公司乙醇分析纯硝酸咪糠唑(MKZ)OClNNClClHNO3.1端羟基二甲基硅氧烷（硅橡胶生胶）室温硫化107型，室温粘度8630mPa·S正硅酸乙酯，有机锡*基金项目中山大学化学与化学工程学院第四届创新化学实验与研究基金项目(项目批准号:03014)资助第一作者罗凯(1984年)，男，中山大学化学与化学工程学院00基地班通讯联系人祝方明副教授E-mail:[e-mail]821.2样品制备1.2.1蒙脱土的有机化改性[2]将一定量的MT按质量比5：3与CTAB混合，加入一定量去离子水（约5克蒙脱土/95克水）在80℃油浴下高速搅拌8h后室温过滤，然后用去离子水重复洗涤降低Br－浓度，并用0.1mol/lAgNO3检验滤液至无白色沉淀为止。所得产品在60℃下真空干燥至恒重，研磨后得到改性MT(MMT)。1.2.2抗菌药物的插层改性取一定量的MMT与等质量的硝酸咪糠唑混合，加入乙醇配成质量分数20％的乙醇溶液，室温下搅拌4～5h，过滤并用乙醇反复洗涤4～5次，60℃下真空干燥后研磨成粉末。1.2.3抗菌药物的释放称取一定质量硝酸咪糠唑改性MMT，平均分成三份后用滤纸包裹，悬浮在5％生理盐水中，浸泡24h，48h，72h取出，真空干燥后研磨成粉末。1.2.4硅橡胶/药物改性MMT复合材料的制备[3]1.2.4.1溶液法制备硅橡胶/药物改性MMT复合材料称取一定质量药物改性MMT分散在氯仿中（约1g蒙脱土/10ml氯仿）,加入一定重量的硅橡胶生胶混合均匀，搅拌数小时后挥发溶剂，加入1.25phr正硅酸乙酯和0.3phr有机锡（相对于100份硅橡胶），搅拌均匀，真空抽气泡，再慢慢倒入模具中，室温放置24h.1.2.4.2熔融法制备硅橡胶/药物改性MMT复合材料一定质量的药物改性MMT与硅橡胶直接混合均匀，在90℃下搅拌5h，冷却至室温后加入1.25phr正硅酸乙酯和0.3phr有机锡（相对于100份硅橡胶），搅拌均匀，真空抽气泡，再慢慢倒入模具中，室温放置24h.1.3测试与表征1.3.1红外光谱用NEXUS670FT-IR红外光谱仪扫描样品，表征样品是否锚定。另外，通过比较相应位置吸收峰的强弱，判断所含抗菌药物的多少。1.3.2X射线衍射用日本RIGAKUD/max–IIIA型X射线衍射仪对蒙脱土及复合材料进行连续记谱扫描，测量插层前后蒙脱土层间距的变化。测试条件：CuKα辐射（λ=0.154nm），管电压35kV，管电流25mA，扫描速度1。/min。1.3.3热重分析（TG）NETZSCHTG209型热分析仪，氮气气氛下，升温速率10K/min,温度范围23～430℃.1.3.4DMA材料性能测试DMA2980型动态力学测试仪，试样1×1cm，升温速率5K/min,温度范围-140～60，频率10/1Hz.2、结果与讨论2.1IR表征2.1.1红外光谱表征药物的插入图2.1为MT改性前后的红外谱图。图2.2为咪糠唑插层后的MMT红外谱图。由图2.1不难发现，MT有机改性前后，3400cm－1和1640cm－1附近的吸收谱带明显减弱，该谱带归属为层间O－H键的伸缩振动和弯曲振动，谱带强度的减弱说明层间水明显减少，层间水的减少有利83于蒙脱土与有机分子的相容。此外，改性后的MMT出现2920cm－1，2845cm－1的亚甲基吸收峰[4]，说明CTAB已被锚定在MT中。350030002500200015001000500MTMMTwavenumbers(cm-1)30002500200015001000500wavenumbers(cm-1)MKZ-MMTFig2.1IRspectraofMTbeforeFig2.2IRspectraofMMTmodifiedbyandaftermodificationwithCTABMKZ图2.2中，咪糠唑插层后，出现新的吸收峰，如1100～1550cm－1的复杂吸收峰，说明咪糠唑已被锚定在MMT中。2.1.2红外光谱跟踪药物的释放图2.5为在生理盐水中浸泡0h,24h，48h,72h后的红外光谱图，由图中不难看出，以1040cm－1附近Si－O－Si的对称伸缩振动吸收[4]为基准，1400cm－1附近的药物特征吸收峰随时间的增长而递减，说明药物浓度在降低，药物得到顺利释放。2000180016001400120010000h24h48h72hwavenumbers(cm-1)Fig2.5IRspectraofMKZ-MMTbeforeandafterthedrugrelease2.2X射线衍射分析[5]2.2.1X射线衍射表征硝酸咪糠唑及硅橡胶插入前后层间距的变化246810121416cedbatheta(deg.)Fig2.6XRDpatternsofMTandsiliconrubber/MMTcompositesa.MT;b.MMTc.MMTmodifiedbyMKZd.siliconrubber/MMTcompositesbymeltinge.84siliconrubber/MMTcompositesbysolution对于原蒙脱土MT测得其2θ为6.4。，根据Bragg方程2dsinθ＝λ，求出d1＝1.38nm；同理求得：Table2.1X-rayresultsofMT、MMT、MKZ－MMT、andsiliconrubber/MMTcompositesSample2θ/。d/nmPeakintensityMTMMTMKZ－MMTComp.bymeltingComp.bysol.6.404.554.064.052.721.381.942.202.203.24BroadandStrongShapeandStrongMidMidWeak从表2.1可以看出，插层剂CTAB和咪糠唑（MKZ）进入到MT片层间，使MT的片层间距扩大。同时可以发现，熔融法插层后的硅酸盐片层距离为2.20nm，与原来的改性MT几乎完全相同，而溶液法插层的层间距达到3.24nm，说明溶液插层法使部分硅橡胶的大分子进入到蒙脱土的片层间，而使层间距扩大。2.3热重分析为了了解改性MT耐热性能，便于控制其与硅橡胶共混的温度，同时为了了解抗生素插入量的多少，我们研究了它的TG曲线。50100150200250300350400228.00C,90.92%2080C,95.9%1810C,98.9%MKZ-MMTMMTTemperature(deg.)Fig2.8TGcurvesofMMTbeforeandaftermodifiedbyMKZ由图2.8可以看出，MMT存在一个失重平台，温度范围在180～450℃，属于有机物的失重。与咪糠唑插层后的MMT相比，后者多出一个失重平台，范围在180～230℃，属于咪糠唑的挥发或分解。以上进一步证明了红外和XRD的判断,同时给出了与硅橡胶的共混温度应低于180℃。从咪糠唑改性MMT的TG曲线第一个失重平台可以计算出失重百分比为98.9％－90.9％＝8％2.4动态力学性能测试动态力学性能可以用来度量材料的疲劳性能。通常用储能模量及损耗角正切来表达。硅橡胶/药物改性蒙脱土纳米复合材料以及纯硅橡胶的力学损耗角正切tanδ与温度的关系如图2.9所示。由第一个转变峰tanδ极大值得到的玻璃化转变温度（Tg）可见，纳米复合材料的Tg（-101℃）与纯硅橡胶的Tg（-101℃）几乎没有变化，但是复合材料的Tg转变较不明显，这是因为蒙脱土的加入阻碍了硅橡胶链段的活动性，使得Tg的转变趋于平缓。85-140-120-100-80-60-40-2002040Temperature(deg.)0.00.10.20.30.40.5MMT-GXJGXJTanDeltaStorageModulus(MPa)GXJMMT-GXJTemperature(deg.)-140-120-100-80-60-40-2002040010203040Fig2.9tanδofsiliconrubberFig2.10Eˊofsiliconrubberandsiliconandsiliconrubber/MMTcompositesrubber/MMTcompositesasafunctionofasafunctionoftemperaturetemperature材料的储能模量E表示材料中储存的可回复的能量的大小，硅橡胶/药物改性MMT纳米复合材料以及纯硅橡胶的储能模量（Eˊ）与温度的关系如图2.10所示。从中可以看到，在玻璃化转变温度以上，硅橡胶/抗菌药物改性MMT纳米复合材料储能模量比较纯硅橡胶有明显增大，其主要原因在于：1）在复合材料中，部分大分子链插层进入有机蒙脱土片层之间，蒙脱土片层限制了大分子的运动；2）蒙脱土纳米片层在材料中还起到了交联点的作用。3、机理分析与讨论热力学分析[6]有机药物分子或聚合物大分子链对MMT的插层及层状硅酸盐层间膨胀过程能否进行，取决于整个系统热力学函数的变化，在等温过程下，ΔG=ΔH－TΔS.对于溶液插层，有机药物或大分子链进入到MMT片层间，要经历两个过程，第一步，溶剂小分子进入到MMT片层间从自由状态变为层间受约束状态,ΔS10,所以这一步骤中，MMT在溶剂中分散时的溶剂化热ΔH1是决定溶剂分子插层步骤的关键，只有满足ΔH1TΔS1的关系，溶剂小分子对MMT的插层过程才能自发进行。第二步，药物分子或聚合物分子链对溶剂小分子的置换过程，一般情况下，药物分子或聚合物分子链进入到层状硅酸盐的层间受限空间所损失的熵小于溶剂小分子从层间解约束所获得的熵，所以熵变为正，ΔS20，因此相对第一步，第二步自发进行的可能性更大。对于熔融插层，聚合物分子链插入到硅酸盐片层间，熵变值ΔS0,因此要使此过程自发进行，必须满足ΔHTΔS,温度升高不利于插层过程的进行。因此聚合物熔体对层状硅酸盐的插层是由焓变控制的，聚合物大分子链与MMT之间的相互作用必须大于两个组分自身的内聚作用，升高温度一方面提高了高分子链段的活动性，另一方面却不利于插层的热力学因素，在一般条件下都难于进行。4、实验结论1．药