一种纳米抗菌防噪耳塞的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种纳米抗菌定制耳塞的制备方法，它通过耳塞建模、制作耳塞实体和通过植物乳酸杆菌负载法或原子层沉积负载法在耳塞实体的表面上负载Ag/ZnO纳米颗粒这些步骤，得到成品。它借助纳米材料技术，以植物乳酸杆菌等黏性微生物作为载体，将低毒性、高抗菌性的Ag/ZnO纳米颗粒均匀地负载在形貌复杂的耳塞表面，从而显著地提升了耳塞的生物相容性、抗菌性等关键性能，使耳塞具有优异的抑菌、抗菌效果，具有经济性和普适性。它具有如下优点：1、定制化贴合耳道。2、中空结构，佩戴舒适。3、能够有效抗菌抑菌。4、具有经济性和普适性。
【专利说明】一种纳米抗菌防噪耳塞的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及生物材料领域，尤其涉及一种纳米抗菌防噪耳塞的制备方法。
【背景技术】
耳朵是人体的听觉器官。音波通过空气的振动，经过外耳道传到内耳道和鼓膜，使得鼓膜产生振动，带动听小骨机械振动，进一步传递到听神经，并由后者将声音的机械能转化成电信号传递到大脑而产生听觉。
[0002]随着时代的发展，环境的噪音成为了不可避免的污染。尤其在某些特定的工作场合，噪音的污染非常严重，例如飞机场、机器车间、嘈杂的街道旁、石油开采、钻井开采等。噪音不仅损害人的身体器官，并且在一定程度上扰乱人的心理，降低人的工作效率，严重的情况下会导致不必要的后果发生，当人们需要一个绝对安静的环境学习或思考时，诉求一份安静越来越成为一种奢侈，给人们带来很多困扰。
[0003]鉴于此，人们会选择防噪耳塞保护自己，这在一定程度上起到了良好的效果，但传统耳塞存在诸多问题需要解决。
[0004]人的耳孔内壁凹凸不平，长27毫米，直径5-7毫米，外部是软组织，内部是较硬的组织。虽然传统耳塞已经考虑到人耳道构造，并在工艺上加以改进，但由于耳道的特殊性以及个体差异性，完全贴合耳道并且长时间保持舒适性能的耳塞还未见报道。
[0005]另外，市面上出售的大量橡胶耳塞过于生硬，佩戴不舒服，使用时间长了会影响听力，造成听力下降。其次，由于耳塞的弹性太大，其膨胀时压迫外耳道皮肤，引起耳胀、耳痛等不适，而且隔音效果不好。再者，由于现有的普通隔音耳塞为实心体，使耳朵内部和外部的大气压强增大，使外部空气流进入耳腔室的速度变快，连续长时间使用会感觉耳内有压力和疼痛感，严重时会引起恶心现象。此外，市面上常见耳塞材料的物理性能也有待改善，一个典型问题就是:在塞入耳道后，由于耳塞迅速发泡膨胀，并因形变产生反作用力，使耳塞较易从耳道中脱出。而且，由于工艺限制，耳塞表面往往比较光滑，致使耳塞与耳道之间的摩擦力较弱，使耳塞在外力影响下(如睡眠时翻身)容易从耳道滑落。
[0006]同时，由于现在大部分耳塞厂家都是有材料学、工程学背景的人，他们对微生物方面的了解并不是很多，所以仅仅是在材料和形貌上进行优化，但是从生物学角度来说，耳道是一个开放型结构，里面有绿脓杆菌、金黄色葡萄球菌等多种细菌，如果这些细菌控制不当的话，还会有引起中耳炎等各种耳道炎症的可能。而耳塞的使用使这种开放型结构变成半开放型结构，从理论上来说，更有可能会导致这些细菌的生长繁殖，所以如果没有对表面进行一个很好的抗菌处理的话，长时间佩戴的话容易导致耳道感染。
[0007]
【发明内容】
:
本发明的目的在于提供一种纳米抗菌防噪耳塞的制备方法，它借助纳米材料技术，以黏性微生物植物乳酸杆菌作为载体，将低毒性、高抗菌性的Ag/ZnO纳米颗粒均匀地负载在形貌复杂的耳塞表面，从而显著地提升了耳塞的生物相容性、抗菌性等关键性能，使耳塞具有优异的抑菌、抗菌效果，具有经济性和普适性。
[0008]本发明的目的是这样实现的: 一种纳米抗菌防噪耳塞的制备方法，特征是:
A、耳塞建模:先将耳道用乙醇清洗干净，原料为:室温加成固化双组份硅橡胶，组份A为白色，组份B为绿色；将等体积的组份A和组份B揉和在一起，揉和至颜色均匀后，将混合物放入注射器中，注入耳道，并挤压使混合物充分贴合耳道，待耳塞模型固化后，慢慢地将耳塞模型从耳道里旋转取出来，该耳塞模型即为耳道的3D实体模型，然后对3D实体模型进行三维扫描，得到3D建模数据，实现耳塞的数字化建模，建立耳塞三维模型图；将扫描后所得到的耳塞三维模型图，用CATIA软件设计成中空结构；
B、制作耳塞实体:根据步骤A所得的3D建模数据，通过3D打印机或模具灌注的方式，使用PLA (聚乳酸)、ABS (丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、光敏树脂或低毒性软质3D打印耗材(Stratasys VERO系列)为原料，制作出形貌与耳道精确匹配的耳塞实体，以待随后的纳米修饰；
C、负载Ag/ZnO纳米颗粒:通过植物乳酸杆菌负载法或原子层沉积(ALD)负载法在耳塞实体的表面上负载Ag/ZnO纳米颗粒,得到成品。
[0009]所述步骤C中的植物乳酸杆菌负载法是指:
a、用接种环将植物乳酸杆菌接种到灭菌后的MRS培养基中，在摇床中震荡培养，优选出粘附性比较强的植物乳酸杆菌，即:在离心机中以5000rpm的速度离心5min能留下75%的植物乳酸杆菌，就是粘附性比较强的植物乳酸杆菌；并将粘附性较强的植物乳酸杆菌接种到灭菌后的MRS培养基中；
b、将步骤B所制备的耳塞实体用铁丝固定，放入接种了粘附性较强的植物乳酸杆菌的MRS培养基中，并放入37°C摇床中培养48h，使植物乳酸菌负载在耳塞实体的表面；
C、将负载有植物乳酸菌的耳塞实体取出来，用无菌蒸馏水洗涤两次以去除杂质，然后再放入新的锥形瓶中，加入100ml、0.01mol/L的AgNO3溶液，置于摇床(200rpm，28 V，黑暗环境)中培养；使耳塞实体的表面均匀负载有低毒性、高抗菌性的Ag纳米颗粒。
[0010]所述步骤C中的原子层沉积负载法(ALD)是指:
a、原子层沉积法(ALD):以水和二乙基锌(EDZn，Zn (C2H5) 2))作为氧化锌合成的原料，分别提供“氧”元素与“锌”元素的脉冲前体，即:首先在原子层沉积仪的生长室中放入步骤B所制备的耳塞实体，以高纯度(99.9%)的氩气和氧气为等离子源，以(99.9%)氮气(N2)作为载气和清洗气体，首先通入氩气，利用ALD系统中的等离子发生器将氩气电离，随后再通入氧气，在氩气的帮助下将氧气转化成氧等离子体，经脉冲方式分别引入水和二乙基锌；在前体脉冲后引入氮气，以便携带前驱体源进入反应腔室并除去残渣及副产品；水和二乙基锌的脉冲时间为15ms，每次脉冲的间隔时间为5s，其中反应腔温度为150°C，经循环脉冲的方式在耳塞实体的表面负载上均匀的ZnO纳米薄膜；
B、水热法:经原子层沉积法在耳塞实体的表面负载上均匀的ZnO纳米颗粒后，通过水热法实现耳塞实体表面的ZnO纳米颗粒的进一步快速生长，反应前体物质为醋酸锌([Zn(AC)2])(或硝酸锌)与环六亚甲基四胺(HMT)JP:将醋酸锌和环六亚甲基四胺溶解在去离子水中，经磁力搅拌或机械搅拌充分混匀，再将反应溶液转移到内衬为聚四氟乙烯的50ml容量的高压灭菌锅里，然后将负载了 ZnO纳米颗粒的耳塞实体放入高压灭菌锅中，在90°C下均匀加热3-16个小时；反应完成后，耳塞实体用去离子水彻底清洗，并在60°C下干燥6_10h,得到成品。
[0011]在步骤B中，在耳塞实体的外表面加工有三角纹、鱼骨纹、数字纹或字母纹，以提升耳塞的表面与耳道之间的摩擦力。
[0012]在步骤C中，在制作好的耳塞成品的中空结构中装填有薰衣草或艾草等有助睡眠的植物。
[0013]本发明是以PLA (聚乳酸)、ABS (丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、光敏树脂或低毒性软质3D打印耗材(Stratasys VERO系列)为主要原料,通过一定工艺制备而成。它具有如下显著优点:
1、通过对人的耳道建模，使定制化的耳塞能够精确贴合人的耳道结构，有效地防止噪音，使佩戴更为舒适。同时，通过在耳塞表面加上三角纹、鱼骨纹、数字纹、字母纹等这些不同纹路，可提升耳塞表面与耳道之间的摩擦力，从而增加耳塞佩戴的稳定程度。还可以在表面根据个人爱好在表面设计一些图案、logo，增加耳塞的美观度。
[0014]2、通过在耳塞的外表面负载低毒性、高抗菌活性的Ag/ZnO纳米颗粒，可显著地提升耳塞的抗菌活性，使耳塞能有效杀菌、抑菌，防止耳道感染，使佩戴更为健康、安全。
[0015]3、将耳塞做成中空结构，在耳塞的内部打印出多孔型、波浪形或细棍形状的几何支撑结构(图1 )，使耳塞不仅具有优良的隔音效果，还能够节约材料，降低成本。在降低耳塞重量的同时，增加耳塞整体的柔软程度，从而提升耳塞长时间佩戴的舒适程度。同时，在耳塞的内部装填薰衣草、艾草等有助睡眠的植物，可进一步改善睡眠质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明所述耳塞的内部支撑型结构图；其中:a为耳塞内部细棍形支撑结构；b为耳塞内部波浪形支撑结构；c为耳塞内部多孔形支撑结构；
图2为耳塞三维模型各个面的光学照片示意图；其中:a为耳塞三维模型的俯视图；b为耳塞三维模型的前视图；c为耳塞三维模型的左视图；d为耳塞三维模型的右视图；e为耳塞三维模型的后视图；
图3为植物乳酸杆菌的扫描电镜图；
图4为经原子层沉积法在耳塞实体表面负载的ZnO纳米颗粒示意图；
图5为水热法后生长在耳塞实体表面的ZnO纳米颗粒示意图。
[0017]【具体实施方式】:
下面结合实施例并对照附图对本发明进行进一步详细说明。
[0018]实施例1:
A、将耳道用乙醇清洗干净，将室温加成固化双组份硅橡胶(组份A为白色，组份B为绿色)等体积揉和至颜色均匀，时间不要超过40s ;将混合物放入注射器中，注入耳道，并挤压使耳塞模型充分贴合耳道，固化约1min后，慢慢地将耳塞模型从耳道中旋转取出来，该耳塞模型即为耳道的3D实体模型，见图2 ;然后对3D实体模型进行三维扫描:首先是用双激光扫描3D实体模型的表面，然后进行数据点采集，接着将各数据点经运算闭合为曲面，最后将多曲面合并组成3D实体模型的三维模型，得到3D建模数据，实现耳塞的数字化建模，建立耳塞三维模型图；将扫描后所得到的耳塞三维模型图，用CATIA软件设计成中空结构；
B、根据步骤A所得的3D建模数据，使用PLA(聚乳酸)为原料，通过3D打印机进行3D打印，制作出形貌与耳道精确匹配的耳塞实体，以待随后的纳米修饰； C、用接种环将植物乳酸杆菌接种到灭菌后的MRS培养基中，在摇床(37°C，200rpm)中震荡培养，优选出粘附性比较强的植物乳酸杆菌(即在离心机中以5000rpm的速度离心5min能留下75%的植物乳酸杆菌为粘附性比较强的)，并将粘附性较强的植物乳酸杆菌接种到灭菌后的MRS培养基中；将步骤B所制备的耳塞实体用铁丝固定，放入接种了粘附性较强的植物乳酸杆菌的MRS培养基中，并放入37°C摇床中培养48h，使植物乳酸杆菌负载在耳塞实体的表面；将负载了植物乳酸杆菌的耳塞实体取出来，用无菌蒸馏水洗涤两次以去除杂质，然后再分别放入新的锥形瓶中，加入10ml 0.01mol/L的AgNO3溶液,置于摇床(200rpm, 28°C，黑暗环境)中培养，使耳塞实体的上均匀负载有低毒性、高抗菌性的Ag纳米颗粒。
[0019]实施例2:
A、将耳道用乙醇清洗干净，将室温加成固化双组份硅橡胶(组份A为白色，组份B为绿色)等体积揉和至颜色均匀，时间不要超过40s ;将混合物放入注射器中，注入耳道，并挤压使耳塞模型充分贴合耳道，固化约1min后，慢慢地将耳塞模型从耳道中旋转取出来，该耳塞模型即为耳道的3D实体模型，见图2 ;然后对3D实体模型进行三维扫描:首先是用双激光扫描3D实体模型的表面，然后进行数据点采集，接着将各数据点经运算闭合为曲面，最后将多曲面合并组成3D实体模型的三维模型，得到3D建模数据，实现耳塞的数字化建模，建立耳塞三维模型图；将扫描后所得到的耳塞三维模型图，用CATIA软件设计成中空结构；
B、根据步骤A所得的3D建模数据，使用ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)为原料，通过模具灌注的方式，制作出形貌与耳道精确匹配的耳塞实体，以待随后的纳米修饰；
C、用EnsureNanotech (北京)的LabNanoTM9100 ALD系统使ZnO生长在耳塞上。在沉积过程中，以水和二乙基锌(EDZn，Zn(C2H5)2))为作为氧化锌合成的原料，分别提供“氧”元素与“锌”元素的脉冲前体；即:首先在原子层沉积仪的生长室中放入步骤B所制备的耳塞实体，以高纯度(99.9%)的氩气和氧气为等离子源，以(99.9%)氮气(N2)作为载气和清洗气体，首先通入氩气，利用ALD系统中的等离子发生器将氩气电离，随后再通入氧气，在氩气的帮助下将氧气转化成氧等离子体，经脉冲方式分别引入水和二乙基锌；在前体脉冲后引入氮气，以便携带前驱体源进入反应腔室并除去残渣及副产品；水和二乙基锌的脉冲时间为15ms，每次脉冲的间隔时间为5s，其中反应腔温度为150°C，经循环脉冲的方式在耳塞实体的表面负载上匀的ZnO纳米颗粒；
D、经原子层沉积法在耳塞实体的表面负载上均匀的ZnO纳米颗粒后，通过水热法实现耳塞实体表面的ZnO纳米颗粒的进一步快速生长,反应前体物质为醋酸锌([Zn (AC)2])与环六亚甲基四胺(HMT);即:将醋酸锌和环六亚甲基四胺溶解在去离子水中，经磁力搅拌或机械搅拌充分混匀，再将反应溶液转移到内衬为聚四氟乙烯的50ml容量的高压灭菌锅里，然后将负载了 ZnO纳米颗粒的耳塞实体放入高压灭菌锅中，在90°C下均匀加热3-16个小时；反应完成后，耳塞实体用去离子水彻底清洗，并在60°C下干燥8h，得到成品。
[0020]实施例3:
在实施例1中的步骤B中，在耳塞实体的外表面加工有三角纹，以提升耳塞的表面与耳道之间的摩擦力。
[0021]在实施例1的制作好的耳塞成品的中空结构中装填有薰衣草。
[0022]实施例4: A、参照实施例1的步骤B制作3个相同的耳塞实体并编号1、2、3；
B、将I号耳塞实体参照实施例2的步骤C，用ALD在I号耳塞实体的表面负载ZnO纳米薄膜；
C、将2号耳塞实体参照实施例2的步骤B、步骤C，先用ALD在耳塞实体的表面负载ZnO纳米薄膜，再用水热法使耳塞实体表面的ZnO进一步生长；
D、3号耳塞实体不做任何处理；
E、将3个耳塞实体分别浸没在25ml同浓度的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌以及绿脓杆菌的菌液中；在37°C摇床中以10rpm振摇8小时后，利用CLSM (共聚焦激光扫描显微镜)结合荧光染色计算菌液的存活率，每组抗菌实验重复三次取平均值，为方便比较，将未做任何处理的耳塞表面的细菌存活率设为100% ；
经ALD纳米修饰后的耳塞实体，由于所负载的ZnO纳米层较薄，耳塞实体表面对上述三种致病菌的抗菌活性并不明显；经水热处理二次生长后，由于耳塞实体的表面负载上了一层较为致密的ZnO纳米花，耳塞实体表面的抗菌活性也得以大幅增强，而对于金黄色葡萄球菌的抑杀能力尤其明显。
【权利要求】
1.一种纳米抗菌防噪耳塞的制备方法，其特征在于: A、耳塞建模:先将耳道用乙醇清洗干净，原料为:室温加成固化双组份硅橡胶，组份A为白色，组份B为绿色；将等体积的组份A和组份B揉和在一起，揉和至颜色均匀后，将混合物放入注射器中，注入耳道，并挤压使混合物充分贴合耳道，待耳塞模型固化后，慢慢地将耳塞模型从耳道里旋转取出来，该耳塞模型即为耳道的3D实体模型，然后对3D实体模型进行三维扫描，得到3D建模数据，实现耳塞的数字化建模，建立耳塞三维模型图；将扫描后所得到的耳塞三维模型图，用CATIA软件设计成中空结构； B、制作耳塞实体:根据步骤A所得的3D建模数据，通过3D打印机或模具灌注的方式，使用聚乳酸、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、光敏树脂或低毒性软质3D打印耗材为原料，制作出形貌与耳道精确匹配的耳塞实体，以待随后的纳米修饰； C、负载Ag/ZnO纳米颗粒:通过植物乳酸杆菌负载法或原子层沉积负载法在耳塞实体的表面上负载Ag/ZnO纳米颗粒，得到成品。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述步骤C中的植物乳酸杆菌负载法是指: a、用接种环将植物乳酸杆菌接种到灭菌后的MRS培养基中，在摇床中震荡培养，优选出粘附性比较强的植物乳酸杆菌，即:在离心机中以5000rpm的速度离心5min能留下75%的植物乳酸杆菌，就是粘附性比较强的植物乳酸杆菌；并将粘附性较强的植物乳酸杆菌接种到灭菌后的MRS培养基中； b、将步骤B所制备的耳塞实体用铁丝固定，放入接种了粘附性较强的植物乳酸杆菌的MRS培养基中，并放入37°C摇床中培养48h，使植物乳酸菌负载在耳塞实体的表面； C、将负载有植物乳酸菌的耳塞实体取出来，用无菌蒸馏水洗涤两次以去除杂质，然后再放入新的锥形瓶中，加入10mU0.0lmol/L的AgNO3溶液，置于摇床:200rpm，28°C，黑暗环境中培养；使耳塞实体的表面均匀负载有低毒性、高抗菌性的Ag纳米颗粒。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:所述步骤C中的原子层沉积负载法是指: a、原子层沉积法:以水和二乙基锌作为氧化锌合成的原料，分别提供“氧”元素与“锌”元素的脉冲前体，即:首先在原子层沉积仪的生长室中放入步骤B所制备的耳塞实体，以99.9%的氩气和氧气为等离子源，以99.9%氮气作为载气和清洗气体，首先通入氩气，利用ALD系统中的等离子发生器将氩气电离，随后再通入氧气，在氩气的帮助下将氧气转化成氧等离子体，经脉冲方式分别引入水和二乙基锌；在前体脉冲后引入氮气，以便携带前驱体源进入反应腔室并除去残渣及副产品；水和二乙基锌的脉冲时间为15ms，每次脉冲的间隔时间为5s，其中反应腔温度为150°C，经循环脉冲的方式在耳塞实体的表面负载上匀的ZnO纳米薄膜； B、水热法:经原子层沉积法在耳塞实体的表面负载上均匀的ZnO纳米颗粒后，通过水热法实现耳塞实体表面的ZnO纳米颗粒的进一步快速生长，反应前体物质为醋酸锌与环六亚甲基四胺；即:将醋酸锌和环六亚甲基四胺溶解在去离子水中，经磁力搅拌或机械搅拌充分混匀，再将反应溶液转移到内衬为聚四氟乙烯的50ml容量的高压灭菌锅里，然后将负载了 ZnO纳米颗粒的耳塞实体放入高压灭菌锅中，在90°C下均匀加热3-16个小时；反应完成后，耳塞实体用去离子水彻底清洗，并在60°C下干燥8h，得到成品。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:在步骤B中，在耳塞实体的外表面加工有三角纹、鱼骨纹、数字纹或字母纹，以提升耳塞的表面与耳道之间的摩擦力。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于:在步骤C中，在制作好的耳塞成品的中空结构中装填有薰衣草或艾草。
【文档编号】A61F11/08GK104224443SQ201410377655
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年8月4日 优先权日:2014年8月4日
【发明者】王小磊, 辛洪波, 余芬, 薛超文, 史晓彤, 方铉 申请人:南昌大学