超滑抗菌硅胶导尿管的制备与性能研究

李育强，智倩倩△，杨茂丽，孔晓颖

(1.青岛明药堂医疗股份有限公司，青岛 266111;2.青岛农业大学，青岛 266109)

1 引 言

医院感染将成为全球性日益严重的公共卫生问题。每年大约有500万例医院感染，其中尿路感染是最常见的院内感染[1]。随着研究者们对硅胶材料抗菌涂层的深入研究[2-5]，国际市场上已逐步涌现各种类型的高端超滑抗菌器械产品，并形成技术垄断。此外，导尿管在临床上需要长期或短期置入人体组织，每次插入或拔出，患者会有不同程度的疼痛感[6-7]，主要因为导尿管表面与肌体组织的摩擦系数较大、黏膜部位的细菌感染。因此，研制兼具高生物安全性、抗菌性能及超滑性能的导尿管具有重要的临床意义[8-9]。

目前国内外大多通过浸泡、喷涂等工艺将纳米银涂层涂覆与器械表面[10]，但随着含银制品的潜在毒性[11-12]引起人们的广泛关注，国家食品药品监督管理总局对含银医疗器械监管力度的加大。本研究通过光催化接枝的方法制备出超滑抗菌涂层，比较抗菌剂牡丹酚和目前市面常见的醋酸氯己定的抗菌性能及抗菌时效。本工艺适用于导流管、喉罩、胃食管、洗胃器、洗胃管、吸痰管、肛门管、吸引连接管、脑科吸引管等硅胶和非硅胶医用品领域中，不仅能够弥补国内医疗器械高端涂层技术的空白，打破国外企业的技术垄断，对社会公共卫生安全和改善民生具有重大意义。

2 实验部分

2.1 超滑涂层的制备

本研究采用的裸管为纯硅胶导尿管，通过光催化接枝的方法，将亲水性高聚物聚丙烯酸接枝到硅胶导尿管外表面，制备出含有超滑亲水涂层的导尿管，灭菌处理备用。

2.2 抗菌涂层的制备

将导尿管通过接枝法进行抗菌处理，分别选取醋酸氯己定A及牡丹酚B两种作为抗菌成分，制备得到抗菌导尿管，灭菌处理备用。

2.3 性能表征

2.3.2样品形貌表征 采用扫描电子显微镜S-3400N进行扫描分析样品的形貌，观察亲水涂层、醋酸氯己定A及牡丹酚B亲水抗菌涂层的厚度。

2.3.3接触角 采用接触角测量仪JC 2000a，通过液滴法进行涂层接触角的测试，评价裸管、超滑导尿管、A超滑抗菌导尿管及B超滑抗菌导尿管的表面涂层亲水性能。

2.3.4涂层附着力测试 根据ASTM D3359-02法测试涂层与裸管基体间附着力。

2.3.5涂层表面摩擦系数的测定 采用MXD-02摩擦系数仪对涂层的表面摩擦性能进行测定，评价裸管、超滑导尿管、A及B超滑抗菌导尿管的表面涂层润滑性能。

2.3.6体外模拟抗菌性能测定

依照YY0325-2002《一次性使用无菌导尿管》及《消毒技术规范》(2002版)2.8.1.2抑菌环实验法，选取大肠杆菌、金黄色葡萄球菌两种菌种，对样品进行体外模拟抗菌性能测试，以未进行涂层处理的硅胶导尿管(即裸管)作为对照。

2.3.7加速稳定性能试验 将经环氧乙烷灭菌的超滑抗菌导尿管放置于40℃、RH 60%的恒温恒湿箱中，恒温加速4个月，每月取出对导尿管的外观、润滑性、脱落情况、抑菌性等性能进行检测。涂层脱落情况是将导尿管浸泡于模拟尿液中，并于37℃环境下，每天更换尿液，观察30 d内有无脱落。

2.3.8统计学处理 应用SPSS软件进行数据处理，分析数据间是否存在显著性差异。

3 结果

3.1 红外光谱结果

红外光谱表征分析结果见图1。788、1008、1258、2962 cm-1等峰是硅胶导尿管基材的特征峰，对比超滑导尿管、A及B超滑抗菌涂层导尿管与裸管的红外光谱可知，超滑涂层成功地引入羧酸盐离子吸收带特征峰1456、1543 cm-1，此外A超滑抗菌涂层中出现的1636、3206 cm-1是抗菌剂洗必泰中胍类特征峰，说明成功将抗菌剂洗必泰引入至涂层中；而B超滑抗菌涂层中1716 cm-1特征峰明显增强，1716 cm-1是抗菌成分B中的酯基C=O双键伸缩振动峰，说明成功引入B抗菌成分。

沉砂池采用钢筋混凝土结构，形状为方形或长方形。池下部分层填入卵石。最下层放10 mm左右粒径的石子100 mm厚，其上放粒径6 mm左右石子100 mm厚，再上放粒径3 mm左右石子100 mm厚，最上层放粒径1～2 mm小石子50 mm厚，垫层总厚度350 mm。垫层上铺设钻孔水管，外包棕皮或编织布，用水管导出，进入供水管道。经沉砂池过滤的水含砂量已减小，减轻了自来水厂水处理难度，缩短了处理、净化时间，可以保证洪水期需水要求。

图1硅胶裸管、超滑导尿管、A及B超滑抗菌导尿管红外光谱图

Fig1Infraredspectraofsiliconetube,superslidecatheter,superslideantibacterialcatheterAandB

结合上述结果分析，可知在导尿管外侧分别发生超滑亲水高聚物的接枝以及抑菌剂的接枝反应。其接枝机理见图2。

(1)硅胶基体首先在光催化剂的作用下，发生夺氢产生自由基。本研究采用的光引发剂BP是一种夺氢型光引发剂，经紫外光照射后，从硅胶基体表面进行夺氢产生大量的自由基(步骤a)，为后续的接枝共聚反应作准备。

(2)与带有羧基的单体丙烯酸AA接枝。将经光引发剂处理后的硅胶基体置于带有羧基的丙烯酸溶液中时，同时在紫外光照射下单体AA被接枝到基体表面上(步骤b)；随着单体接枝反应(步骤c)的进行，同时增加自由基增长点，与更多的单体产生交联(步骤d)形成新的接枝链；同时聚合物表面大量的氢也可被光引发剂作用发生夺氢产生自由基，引发二次接枝交联反应(步骤e)，最终形成高聚物亲水涂层。

(3)抗菌剂洗必泰A、牡丹酚B的接枝机理：同样，在光引发剂BP的作用下，洗必泰A中的碳氮双键打开，与基体表面自由基形成接枝交联步骤(步骤f、g)；牡丹酚B中的苯羟基在溶液中电离脱氢(步骤h)后，与基体自由基发生接枝反应(步骤i)。

3.2 样品形貌表征

裸管、A超滑抗菌导尿管及B超滑抗菌导尿管的扫描电镜结果见图3，编号A超滑抗菌导尿管涂层明显地分成两层，分别为亲水涂层a及抗菌涂层b；涂层总厚度约19.13 μm，其中抗菌涂层b厚度约为4.29 μm。B超滑抗菌导尿管的涂层非常致密、均匀，且亲水涂层及抗菌涂层融为一体，涂层厚度约为102.2 μm，约为A涂层厚度的5倍，表面形貌呈现均匀的涡流状。

图2 涂层光催化接枝机理

Fig2Mechanismofphoto-catalyticgraftingofcoatings

图3裸管、A超滑抗菌导尿管及B超滑抗菌导尿管的扫描电镜图片

Fig3SEMphotosofthenakedtube,supersmoothantibacterialcatheterAandB

3.3 接触角

裸管、超滑导尿管、A超滑抗菌导尿管及B超滑抗菌导尿管的接触角实验结果、见图4，从图中可以看出裸管接触角为113.2°，表面为疏水性，进行涂层修饰的导尿管接触角介于47°至55°之间，表面均表现为亲水性，且B超滑抗菌导尿管的接触角小于A超滑抗菌导尿管。

3.4 附着力

按照ASTM D3359-02法测试涂层附着力，其结果见表1。亲水涂层及B超滑抗菌涂层切口边缘无任何剥落、完全光滑，附着力最佳(0级)；A超滑抗菌涂层极少部分有剥落，附着力等级为1级；而市售超滑抗菌导尿管涂层的附着力最差，脱落面积约4.2%。

图4裸管、超滑导尿管、A超滑抗菌导尿管及B超滑抗菌导尿管表面接触角照片对比

Fig4Comparisonofthesurfaceangleofthenakedtube,superslidecatheter,superslideantibacterialcatheterAandB

表1 附着力测试结果

3.5 摩擦性能

图5、图6、图7分别为裸管及三种不同涂层的导尿管摩擦力测试对比曲线图、静摩擦力及动摩擦力测试数据。根据图6测试结果，裸管、超滑导尿管、市售超滑抗菌导尿管及样品B超滑抗菌导尿管的静摩擦力分别为3.377±0.165 N，2.364±0.429 N，0.037±0.012 N，0.029±0.0.033 N。如图7所示，裸管、超滑导尿管、市售超滑抗菌导尿管及样品B超滑抗菌导尿管的动摩擦力分别为3.189±0.165 N，2.444±0.429 N，0.043±0.012 N，0.012±0.033 N。三种不同涂层导尿管的静摩擦力及动摩擦力均小于裸管，且市售超滑抗菌导尿管及样品B超滑抗菌导尿管的静、动摩擦力均远远小于超滑导尿管，存在显著性差异(P<0.05)。相对较而言，样品B超滑抗菌导尿管的静摩擦力、动摩擦力分别约为市售超滑抗菌导尿管的78.4%及27.9%，表明样品B超滑抗菌导尿管具有较低的摩擦性能、更加优异的润滑性能。

图5裸管、超滑导尿管、市售超滑抗菌导尿管及B超滑抗菌导尿管的摩擦力测试曲线

Fig5Frictiontestcurvesofthenakedtube,superslidecatheter,themarketsalesuperslidecatheterandBantibacterialsuperslidecatheter

图6裸管、超滑导尿管、市售及B超滑抗菌导尿管涂层的静摩擦力测定

Fig6Thestaticfrictiondeterminationofthenakedtube,superslidecatheter,themarketsalesuperslidecatheterandBantibacterialsuperslidecatheter

图7裸管、超滑导尿管、市售及B超滑抗菌导尿管涂层的动摩擦力测定

Fig7Thedynamicfrictiondeterminationofthenakedtube,superslidecatheter,themarketsalesuperslidecatheterandBantibacterialsuperslidecatheter

3.6 体外抑菌性能测定

图8为市售及A、B超滑抗菌导尿管在体外模拟抗菌试验中浸泡不同时间的抑菌环照片，对比图9抑菌环直径随浸泡天数增加的变化，随着浸泡时间的延长，A和B超滑抗菌导尿管的抑菌环直径均呈现缓慢下降趋势。市售超滑抗菌导尿管在浸泡第二天，其对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌的无抑菌性；A导尿管在浸泡3 d后，对大肠杆菌的抑菌环直径小于9 mm，说明该导尿管体外持续抗菌时间小于3 d，而B超滑抗菌导尿管在浸泡40 d以上，对大肠杆菌的抑菌环直径依然大于9 mm(裸管直径8 mm)，依然具有抑菌作用；说明后者的持续抗菌时间约为前者的13倍以上。

图8市售及A、B超滑抗菌导尿管浸泡模拟尿液不同时间后的抑菌环图片

Fig8Theantibacterialringsofthemarketsalesuperslidecatheter,superslideantibacterialcatheterAandBaftersoakedatdifferenttime

图9A、B超滑抗菌导尿管的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抑菌环直径随浸泡天数的变化曲线

Fig9DiameterchangecurvesofbacteriostaticringagainstE.coliandStaphylococcusAureus

3.7 加速稳定性能

从表2稳定性加速试验结果中可以看出超滑抗菌涂层A在加速3个月时出现抑菌性能不合格，而超滑抗菌涂层B在加速前后均无任何变化，稳定性能更优异。

4 讨论

目前，国内外医疗器械涂层均存在生物安全性低、脱落率大、抗感染时间短、摩擦力大等现状。针对临床植入器械所产生的微生物黏附细菌感染和植入部位粘膜组织损伤，及其引起的毒性和过敏等问题，亟需开展医疗器械涂层牢固性、功能持久性、疗效稳定性涂层材料技术的开发。本研究所采用的B抗菌剂牡丹酚经粘膜刺激实验及皮肤刺激实验结果分别为0.33、0.29，表明其对粘膜及皮肤是无刺激性的。

表2 稳定性加速试验结果

本研究通过光催化接枝的方法成功地将超滑、抗菌涂层依次接枝到导尿管表面，制备得到兼具超滑性能和抗菌性能的新型超滑抗菌导尿管，并对其各项性能进行研究。根据红外光谱结果可看出，超滑涂层制备工艺将亲水基团酯基和羧酸盐成功接枝到裸管表面，明显改善裸管的亲水润滑性能。同时，B导尿管涂层进一步引入大量的羧酸盐亲水基团，从涂层的接触角及摩擦力两方面均能说明B导尿管能够进一步提高涂层的润滑性能，其动摩擦力可低至0.012 N，低于市场优质的超滑抗菌产品。

另外，接枝抗菌成分的过程中，A中的亲水涂层与抗菌涂层两体系之间相容性较差，造成亲水涂层的脱落及亲水涂层与抗菌涂层的分离；由于亲水涂层与B抗菌涂层引入的特征基团结构具有相似性，在两种涂层的制备过程中两体系之间具有良好的相容性，使得B中亲水涂层与抗菌涂层二者之间融为一体、没有明显的界限。因此，在扫描电镜结果中可观察到，B超滑抗菌导尿管的涂层较A超滑抗菌导尿管更致密、更均匀、涂层更厚。

由于B导尿管抗菌与亲水涂层之间完美的结合，使得其抗菌过程达到缓慢释放的效果，实现长期抗菌的目的，抗菌时间可达40 d以上，远高于现有文献报道及市场产品[14-16]。有利于产品在中长期导尿管的持续使用，有效减少微生物感染。

综上所述，从持续抗菌时间、润滑性、稳定性、涂层脱落等方面进行综合分析，通过光催化接枝的方法所制备出的B超滑抗菌导尿管具有更加优异的润滑性能和抑菌性能，可以满足临床使用需求，具有重要的临床价值和广阔的市场前景。