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关于抗菌TPU材料理化性能和抗菌性能的探究

2020-09-19 713 上传者：管理员

摘要：采用熔融共混挤出的方式将环丙沙星和医用聚氨酯(TPU)材料共混制备抗菌TPU材料，研究了不同添加量的环丙沙星对TPU材料物理性能、抗菌性能的影响，同时研究了抗菌TPU材料在PBS缓冲液中的累积释药量。结果表明：环丙沙星对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度(MIC)分别为0.05μg/mL和5μg/mL；当环丙沙星的添加量为1%时，抗菌材料的物理性能最优，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有抗菌作用；抗菌TPU材料中的环丙沙星在PBS缓冲液中144h的累积释放率仅0.07%,24h释放环丙沙星的浓度为0.098μg/mL，高于环丙沙星对大肠杆菌的最小抑菌浓度。

关键词：
化工工业
医用TPU
抗菌性能
有机化工
物理性能
环丙沙星
缓释
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环丙沙星为第三代喹诺酮类抗菌药物，属于化学合成的含有4-喹酮母核的抗菌药物，并在母核6位碳上引入氟原子，具广谱抗菌性能，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌、流感嗜血杆菌、淋球菌和链球菌都具有抗菌作用，尤其对革兰氏阴性菌具有良好的抗菌活性和较强的药代学特性[1,2,3,4]。其抗菌作用机理是通过自身特定的分子结构与DNA旋转酶或拓扑异构酶Ⅳ相互作用，形成药-酶-DNA三元复合物，阻碍DNA合成，使DNA裂解成碎片，阻碍蛋白质合成，最后导致细菌死亡[5,6,7,8]。

据统计，在全世界范围内，由细菌传染和病毒感染引起的疾病导致人类死亡的事件频频发生，因此研发能够抑制病原微生物生长和繁殖的抗菌性能材料具有十分重要的意义[9]。另外为避免耐药性的发生，将抗生素类抗菌药物与高分子材料复合，制成的局部抗生素缓释系统在预防感染方面是十分有优势的，因此可以在避免全身副作用的同时为感染的局部提供较高的药物浓度[10]。

近年来，生物相容性良好的高分子材料与抗菌药物形成局部药物缓释体系成为研究的热点[11,12,13]。本文以共混法制备抗菌材料，通过对抗菌TPU材料理化性能和抗菌性能的研究，探讨其作为药物缓释载体的可行性。

1、实验部分

1.1原料

聚醚型聚氨酯(TPU)，医用级，美国路博润；环丙沙星，湘潭嘉叶源生物科技有限公司；磷酸盐缓冲液pH=7.2(PBS)，青岛高科技工业园海博生物技术有限公司。

1.2仪器与设备

电子天平，JA5003B，上海菁海仪器有限公司；电热鼓风干燥箱，GZX-924，河南鱼水仪器设备销售有限公司；双螺杆挤出造粒机，SASJ20，东莞市圣安塑料机械有限公司；电动加硫成型机，XH-406B，东莞市锡华检测仪器有限公司；冲片机，CP-25，江都市金刚机械厂；数显邵氏硬度计A,SLD-A，青岛富堡精密仪器有限公司；电子万能试验机，EUT6502，深圳三思检测技术有限公司；差示扫描量热分析仪，美国TA仪器；数显恒温振荡器，SHA-A，常州天瑞仪器有限公司；紫外可见分光光度计，T6，北京普析通用仪器有限责任公司。

1.3抗菌材料的制备

将TPU粒料在电热鼓风干燥箱中60℃下烘4h，然后与不同添加量的环丙沙星均匀混合，放于双螺杆挤出造粒机中，熔融共混，造粒，制备添加量分别为0.6%、0.8%、1.0%、1.2%、1.4%环丙沙星抗菌材料。造粒机各区的温度如下：一区温度160℃、二区温度165℃、三区温度170℃、四区温度175℃、五区温度180℃、六区温度185℃、机头温度185℃。

将得到的抗菌材料在60℃下烘4h，然后用电动加硫成型机在185℃下压片。

1.4性能测试

1.4.1热力学性能测试

称取0.008g环丙沙星，采用热重分析法(TG)以10℃/min的速率升温至700℃进行热力学性能测定。

1.4.2物理性能测试

抗菌TPU材料的硬度测试按照《GB/T2411-2008塑料和硬橡胶使用硬度计测定压痕硬度(邵氏硬度)》的规定进行；拉伸性能测试按照按照《GB/T1040.3-2006塑料拉伸性能的测试》的规定进行。

1.4.3抗菌性能测试

环丙沙星的最小抑菌浓度按照《消毒技术规范》(2002年版)中的2.1.8.3最小抑菌浓度测定试验(琼脂稀释法)进行；抗菌材料的抑菌环测试按照《消毒技术规范》(2002年版)中的2.1.8.2抑菌环试验进行。

1.4.4累积释药量测试

标准曲线建立：精确称取0.01g环丙沙星于50mL容量瓶中，用PBS溶解并定容制备0.2mg/mL的标准液，然后从0.2mg/mL的标准液分别取1mL、2mL、3mL、4mL、5mL移入50mL容量瓶内，以PBS定容至50mL，浓度分别是4μg/mL、8μg/mL、12μg/mL、16μg/mL、20μg/mL的一系列标准溶液，紫外测定其吸光度，以吸光度对浓度进行线性回归分析，得标准曲线及回归方程。

称取2g抗菌材料(环丙沙星添加量为1%)于试管中，加入20mLPBS缓冲液，置于恒温振荡器37℃水浴中，转速50rpm，每次取样10mL，并补充等体积PBS缓冲液，分别于24h、48h、72h、96h、120h、144h取样测定其吸光度，根据标准曲线，计算出累积释药量。

2、结果分析与讨论

2.1环丙沙星热力学分析

图1环丙沙星热失重图

从图1可以看出环丙沙星开始分解温度为287℃，抗菌材料加工温度最高为185℃，满足TPU的加工条件。

2.2抗菌材料的物理性能

表1不同添加量抗菌TPU材料的物理性能测试结果

空白和不同添加量抗菌TPU材料的物理性能测试数据如表1所示，从表中的结果可以看出，加入环丙沙星后，对TPU材料本身的硬度影响不大，但随着添加量的增多，抗菌TPU材料的拉伸强度和断裂伸长率先增大后减小，但仍大于空白TPU材料，这可能是环丙沙星的加入使材料的结晶度有所提高，从而提高了材料的力学性能。

2.3抗菌性能

2.3.1环丙沙星的最小抑菌浓度

图2环丙沙星对大肠杆菌(D3)和金黄色葡萄球菌(J3)的最小抑菌浓度图

从图2可以看出，环丙沙星对大肠杆菌的最小抑菌浓度为0.05μg/mL，对金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度为5μg/mL，高于最小抑菌浓度的环丙沙星溶液具有抗菌能力。

2.3.2抗菌材料的抗菌性能

图3不同环丙沙星添加量的抗菌材料的抑菌环图

表2不同添加量的抗菌TPU材料抑菌环测试结果

图3为抗菌TPU材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌环图，当环丙沙星的添加量从0.6%增大到1.4%时，抗菌材料对大肠杆菌的抑菌环直径从14.1mm增大至27.5mm，对金黄色葡萄球菌的抑菌环直径从0mm增大到15.0mm，当抑菌环直径大于7mm有抗菌作用，因此可以得出环丙沙星的最小添加量为1%时抗菌材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有较好的抗菌作用。

2.4抗菌材料的累积释药量

图4抗菌材料在PBS溶液中累积释药曲线

选择环丙沙星添加量为1%的抗菌材料进行缓释实验，从图4可以看出，随着时间增加，抗菌材料里环丙沙星的累积释放量缓慢增加，144h累积释放量为15.14μg，累积释放率仅0.07%，说明抗菌TPU材料里环丙沙星的释放是缓慢微量的，24h释放环丙沙星的浓度为0.098μg/mL，高于环丙沙星对大肠杆菌的最小抑菌浓度，说明抗菌材料可在短时间内起到抗菌作用。因此，抗菌TPU材料里环丙沙星的释放是缓慢微量的，TPU可以作为药物缓释的载体。

3、结论

(1)环丙沙星的添加量为0.6%～1.4%时，对材料的硬度影响不大，对拉伸强度和断裂伸长率具有增强作用，当添加量为1%时，抗菌材料的物理性能最优。

(2)环丙沙星对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度(MIC)分别为0.05ug/mL和5ug/mL。当环丙沙星的最小添加量为1%时抗菌TPU材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均有抑菌作用。

(3)抗菌TPU材料里环丙沙星在144h的累积释放率仅0.07%,24h释放环丙沙星的浓度为0.098μg/mL，高于环丙沙星对大肠杆菌的最小抑菌浓度。因此，抗菌TPU材料里环丙沙星的释放是缓慢微量的，TPU可以作为药物缓释的载体。

参考文献:

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