[發明專利]一種具有物理殺菌和促進細胞粘附的仿生材料及制作方法

在審

• 申請號: 202010958838.7
• 申請日: 2020-09-14
• 公開（公告）號: CN112107739A
• 公開（公告）日: 2020-12-22
• 發明（設計）人: 趙杰;蔣如劍;陳宇翔;郝凌婉;任露泉
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: A61L31/02
• 分類號: A61L31/02;A61L31/08;A61L31/16;A01N59/16;A01P1/00
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 邵銘康;朱世林

一種具有物理殺菌和促進細胞粘附的仿生材料及制作方法屬納米材料及醫用材料表面改性技術領域，本發明以硅片為基板的材料，在基板表面刻蝕有呈正方形排列的圓柱狀結構，具有納米針狀結構的納米氧化鋅、二氧化鈦涂覆層涂覆于圓柱狀結構表面。本發明利用納米結構物理殺菌的原理來殺死材料表面粘附的細菌，不會帶來任何產生細菌耐藥性的風險，且制備氧化鋅納米柱超高的長徑比，使其具有高達99％以上的殺菌率；利用多級微納米結構共存的表面，不僅可有效殺死細菌，同時微米尺度陣列的存在，能很大程度增加正常細胞在材料表面的粘附面積，并可有效促進正常細胞的增殖分化，與平面相比，其細胞增殖數量得到大幅度提升。

技術領域

本發明屬于納米材料及醫用材料表面改性技術領域，具體涉及一種具有物理殺菌和促進細胞粘附的仿生材料及制作方法。

背景技術

過去的50年中，材料科學技術的進步提高了人們的生活品質，延長了人類的壽命。很多情況下，對人體的不可挽回的損害不再必然意味著功能損失或生活質量的下降，永久植入的生物材料和器械(例如各類導管、心臟起搏器、肺部輔助裝置和髖關節植入物等)的使用實現了人體的功能恢復、促進組織再生和傷口愈合。然而細菌在其表面的粘附與增殖所引發的感染給患者帶來了極大的痛苦，故上述植入材料和器械的應用也面臨了極大挑戰。

據統計，細菌在生物醫用材料表面的增殖所引發感染的患病率在發達國家通常為4-10％(在重癥監護病房達到30％)，使其成為第六大死因，而發展中國家的患病率通常更高(大于15％)。技術上成功的手術并不能防止材料表面細菌增殖引發的感染，在沒有皮膚穿透性創傷的情況下，造成植入物表面增殖而引發感染的生物體，可能在手術期間(手術期污染)或傷口閉合前的住院期間(術后早期污染)進入傷口部位或附著于植入物。即便有些依附于醫療器械進入人體內的病原體在短時間內處于休眠狀態，不易被免疫系統發現，但在手術后多年仍會造成臨床上顯著的感染。因此引起的長期住院或二次手術不僅給患者帶來了極大的痛苦，而且造成了嚴重的經濟后果。在美國，近期醫療保健相關感染的直接費用估計在1年內花費從280億美元到450億美元不等，其中60％以上與醫療設備有關。

細菌對固體基質的污染一般起始于初始的可逆粘附，然后是在固體表面定植進而形成三維網狀的生物膜組織。生物膜的形成為細菌的生長增殖提供了極佳的環境，它不僅可以幫助細菌抵擋免疫細胞的捕獲，而且降低了大部分抗生素對細菌的殺害作用。抗生素的發現及使用確實在過去的近百年中為人類做出了極大的貢獻，但是隨著抗生素的過度使用，越來越多的細菌對抗生素的敏感性變得逐漸鈍化，其效應在臨床上已然逐漸表現出頹式，特別是面對超級細菌的出現傳統的抗生素更是束手無策。一款新型抗生素從研制到真正投入使用，一般需要經過數年甚至數十年的時間，而相關研究表明一種細菌在適宜的環境下，發展產生出對某一特定抗生素的耐藥性僅需數十天。由此可見，新型抗生素的開發遠遠趕不上細菌耐藥性產生的速度。面對這一窘境，開發新型抗菌手段被認為是目前對抗細菌感染研究中極為重要的研究途徑。

2012年澳大利亞研究學者Ivanova等人率先報道，具有納米柱狀結構的蟬翼表面具有良好的殺菌效應，并且指出其殺菌原理主要是源自于表面密集的納米柱狀結構對于粘附于表面的細菌的物理撕裂作用。相對于傳統的殺菌劑對于細菌的化學滅活效應，這種只通過納米柱對細菌的物理作用而使細菌死亡的方法，不存在任何引發細菌耐藥性產生的可能性。這個發現無疑為抗細菌感染所引發的抗生素耐藥性新提供了新思路。然而，如何將這一新發現的自然界模型應用于實際抗菌治療上目前依然是一個待解決的問題，因為這首先涉及到如何在材料表面制備出均一的納米尺度，且具有較好殺菌長徑比的陣列，另外如果是將這一改性表面應用到可移植體內的醫療器械表面時，往往還要求這樣的表面在擁有良好殺菌性的同時，還要具有良好的促進人體正常細胞在其表面的可粘附性，以減少人體組織的排異效應。

發明內容