抗感染导尿管新型纳米复合材料的研制.doc

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) *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: 端羟基二甲基硅氧烷（硅橡胶生胶） 室温硫化107型，室温粘度8630mPaS正硅酸乙酯，有机锡1.2 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45h，过滤并用乙醇反复洗涤45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 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. 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NEXUS 670 FT-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。1.3.2 X射线衍射用日本RIGAKU D/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：Cu K辐射（=0.154 nm），管电压 35kV，管电流 25mA，扫描速度 1。/min。1.3.3 热重分析（TG）NETZSCH TG 209型热分析仪，氮气气氛下，升温速率10K/min,温度范围234 DMA材料性能测试DMA 2980型动态力学测试仪，试样11cm，升温速率5K/min,温度范围-14060，频率10/1Hz.2、结果与讨论2.1 IR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，3400cm1和1640cm1附近的吸收谱带明显减弱，该谱带归属为层间OH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，层间水的减少有利于蒙脱土与有机分子的相容。此外，改性后的MMT出现2920cm1，2845cm1的亚甲基吸收峰4，说明CTAB已被锚定在MT中。 Fig 2.1 IR spectra of MT before Fig 2.2 IR spectra of MMT modified by and after modification with CTAB MKZ图2.2中，咪糠唑插层后，出现新的吸收峰，如11001550cm1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1040cm1附近SiOSi的对称伸缩振动吸收4为基准，1400cm1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。Fig 2.5 IR spectra of MKZ-MMT before and after the drug release2.2 X射线衍射分析52.2.1 X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Fig 2.6 XRD patterns of MT and silicon rubber/MMT composites a. MT; b. MMT c. MMT modified by MKZ d. silicon rubber/MMT composites by melting e. silicon rubber/MMT composites by solution对于原蒙脱土MT测得其2为6.4。，根据Bragg方程2dsin，求出d11.38nm；同理求得：Table 2.1 X-ray results of MT、MMT、MKZMMT、and silicon rubber/MMT compositesSample2/。d/nmPeak intensityMTMMTMKZMMTComp.by meltingComp.by sol.6.404.554.064.052.721.381.94Broad and Strong Shape and StrongMidMidWeak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。Fig 2.8 TG curves of MMT before and after modified by MKZ由图2.8可以看出，MMT存在一个失重平台，温度范围在180450，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180230，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98.990.982.4 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tan与温度的关系如图2.9所示。由第一个转变峰tan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。 Fig2.9 tan of silicon rubber Fig 2.10 Eof silicon rubber and siliconand silicon rubber/MMT composites rubber/MMT composites as a function of as a function of temperature temperature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（E）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，G=HTS.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,S10,所以这一步骤中，MMT在溶剂中分散时的溶剂化热H1 是决定溶剂分子插层步骤的关键，只有满足H10，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S0,因此要使此过程自发进行，必须满足HTS,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 药物可以通过一定方法进入到有机改性蒙脱土片层间，通过控制药物与蒙脱土之间的作用力可以达到药物缓释的目的。2 溶液法制备出的硅橡胶/MMT复合材料具有更好的性能，硅橡胶高分子链进入到蒙脱土片层间，使之均匀分散和剥离，达到提高材料机械性能的目的。致谢 感谢中山大学化学与化工学院第四届创新化学实验与研究基金对本工作的资助。参 考 文 献 1 蒋涛，王玉花，姚丽.蒙脱土的有机化改性.胶体与聚合物，2003，21（3）：21222 汪磊，周艳，等.橡胶/有机蒙脱土纳米复合材料的研究.弹性体，2002，12（4）3 王胜杰，李强，漆宗能等.硅橡胶/蒙脱土复合材料的制备、结构与性能.高分子学报，1998，2（2）：1491534 张楠，徐日炜等.离子偶极法提纯改性蒙脱土.石油化工.2002.31(10)5 T L Barr and S Seal, H He and J Klinowski. X-ray photoelectron spectroscopic studies of kaolinite and montmorillonite. Elsevier Science.1995,46(12):139113956 漆宗能 ，尚文宇.聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料理论与实践.化学工业出版社.2002,2021Preparation of Silicon rubber/MMTNanocomposites for Antibacterial CathetersLuo Kai , Zhu Fangming*(School of Chemistry and Chemical Engineering, ZhongShan University, Guangzhou 510275 China)Abstract Silicon rubber/ montmorillonite loaded drugs nanocomposites can be prepared by polymer intercalation. The effect of modification by different drugs was investigated, and its st