生物可降解聚酯灭菌及抗菌性能研究

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为了避免使用过程中因接触血液或尿液等引起的病菌及细菌感染,医疗器具通常是一次性的。目前,已商业化的用具大多由非生物可降解的聚合物比如聚氯乙烯、聚丙烯、以及热塑性弹性体制备,这些废弃的塑料器具需要焚烧处理来减轻生物污染风险,但都造成了巨大的生态环境压力。使用生物可降解塑料替代传统的非降解塑料为解决这一问题提供了新思路。灭菌处理是医疗器具无菌保障的前提。然而,高分子基医疗器具在灭菌过程中易于发生物理化学变化,从而限制其临床应用。另一方面,在介入型手术应用中,医疗器具跟人体组织接触时间较长,易引发严重感染。因此,特定聚合物对不同灭菌处理的适用性评价及具有抗菌功能的基材制备很有必要。本论文选用生物可降解聚酯聚乳酸(PLA)、聚对苯二甲酸己二酸丁二酯(PBAT)、以及PLA/PBAT共混物为对象,首先研究了不同灭菌方法对这些聚酯的适用性,然后,着重考察了电子束辐照剂量对聚酯性能的影响。对于具有抗菌功能的聚酯体系研究,考察了添加易水溶和难水溶两种不同类型的抗菌剂对基体抗菌性能的影响,与此同时,通过添加纳米填料(蒙脱土 MMT、或石墨烯纳米片GNP)来实现抗菌剂的控制释放。详细的研究内容和主要结果如下:1)不同灭菌方法对PLA、PBAT及PLA/PBAT共混物性能的影响。通过热压成型的方法制备试样。将制好的试样分别用环氧乙烷(EtO)、电子束辐照(EB)、高温高压蒸汽(SS)、以及过氧化氢低温等离子(HPGP)等四种方法进行灭菌处理。探究了灭菌处理对聚酯分子量及其分布、结晶结构、热行为、透明性、尺寸稳定性、黄变、化学结构及力学性能的影响。结果表明:未经灭菌处理的PLA外观透明,这一特性使PLA有望成为注射器外筒等有透明性要求的医疗器具的候选材料。EtO、EB、以及HPGP处理均未影响PLA的透明性,而经SS灭菌处理后,由于PLA在高温发生结晶,试样外观由透明变得不透明,且尺寸缩小。EtO灭菌处理同样使试样尺寸收缩,这可归因于玻璃化转变温度附近的分子链松弛。HPGP灭菌处理后,PBAT及PLA/PBAT共混物发生黄变,尽管FTIR并未检测到明显的化学结构变化。在灭菌处理后,这些聚酯的力学性能是可接受的,灭菌对试样的力学性能总体上没有显著影响。从以上结果可以得到如下结论:EB灭菌处理适用于PLA、PBAT及PLA/PBAT共混物,而SS和EtO灭菌不推荐应用于PLA,HPGP处理不适用于PBAT及PLA/PBAT共混物。2)电子束辐照剂量对PLA、PBAT及PLA/PBAT(42/58)共混物性能的影响。通过热压成型制备试样。电子束辐照剂量在25~100kGy的范围。广角X射线衍射(WAXD)结果表明,电子束辐照的剂量未影响PLA的非晶结构和PBAT的结晶结构。随着辐照剂量的增加,PLA和PBAT试样的黄变指数(YI)增加明显,而PLA/PBAT共混物的YI也呈现增加的趋势。在较高辐照剂量下,PLA试样力学性能急剧下降,这可归因于辐照引起的分子量降低。然而,PBAT和PLA/PBAT共混物试样的分子量和力学性能几乎不受辐照剂量的影响。这表明PBAT和PLA/PBAT共混物具有良好的耐电子辐照性,而PLA不宜使用过高剂量的电子束进行辐照处理。3)纳米填料GNP和MMT对含易水溶抗菌剂盐酸环丙沙星水合物(CFX·HCl)的PLA/PBAT(30/70)共混物的抗菌性能调控。通过超声处理及冷冻干燥技术制备了 MMT、GNP及CFX·HCl复合抗菌粉料,然后,将抗菌粉料和PLA、PBAT熔融共混,制得PLA/PBAT抗菌纳米复合体系。通过热压成型制备测试试样,并用电子束辐照进行灭菌处理。抗菌实验结果表明:在未浸提的情况,含 CFX·HCl/MMT、CFX·HCl/MMT/GNP、以及 CFX·HCl/GNP 的 PLA/PBAT体系比只含CFX·HCl的抑菌环要小,表明纳米填料延缓了抗菌剂的扩散。而在浸提一定时间后(1~15天),添加纳米填料的比只含抗菌剂的试样抑菌环要大。抗菌剂释放动力学结果表明,添加纳米填料很好地减轻了抗菌剂的突释,并且,含CFX·HCl/MMT、CFX·HCl/MMT/GNP体系的累积释放量随时间持续增加,在15天时分别达到8.7%和8.0%,而含CFX·HCl、以及CFX·HCl/GNP的体系累积释放量很快接近平衡,在15天时仅为3.7%。凝血时间及溶血率的评价结果表明,纯PLA/PBAT共混物、以及含CFX·HCl或/和纳米填料的体系均具有良好的血液相容性。在力学性能方面,MMT和GNP的引入提高了抗菌基体的模量和抗拉强度,但降低了其断裂伸长率。4)纳米填料MMT对含难水溶抗菌剂环丙沙星(CFX)的PLA、PBAT、PLA/PBAT(70/30)、PLA/PBAT(30/70)共混物体系抗菌性能的影响。通过熔融共混的方法制备了抗菌纳米复合聚酯体系。通过热压成型制备测试试样,并用电子束辐照进行灭菌处理。抗菌实验结果表明,未浸提的抗菌聚酯体系均具有良好的抗菌性。浸提1天后,含抗菌剂的PLA体系抗菌性消失,而含抗菌剂的PBAT、PLA/PBAT(70/30)、PLA/PBAT(30/70)共混物体系在浸提 15 天后仍保持较好的抗菌效果。对所有抗菌体系,MMT的添加对抗菌性能无明显影响。抗菌剂释放结果表明,在PLA基体中,抗菌剂释放缓慢,浸提15天后,含CFX、以及CFX/MMT的PLA体系的累积释放量分别仅为0.22%和0.28%。浸提15天后,含CFX的PLA/PBAT(70/30)体系累积释放量为0.73%,而进一步添加MMT后,这个值提高到2.57%;含CFX的PLA/PBAT(30/70)、以及PBAT体系的累积释放量分别为12.67%和8.78%,而进一步添加MMT后,这个值均有明显提升。这表明,聚酯基体对CFX的累积释放量有显著影响,释放量的次序为PLA/PBAT(30/70)>PBAT>PLA/PBAT(70/30)>PLA。力学试验结果表明,PLA/PBAT共混体系平衡了 PLA的刚脆和PBAT的柔韧,进一步添加CFX或MMT提高了体系的刚性但降低了韧性。
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