一种超声激活的压电异质结抗菌涂层制备方法及其应用

本发明属于生物材料领域，通过表面旋涂技术在3d打印骨科植入体聚醚酮酮（pekk）表面负载了具有良好生物相容性含有卤氧化铋（biox, x=cl，br，i）和mxene的复合压电异质结涂层。

背景技术：

1、植入体技术的蓬勃发展推动了医疗技术的变革，有力地改善了骨科患者的生活质量。现如今，利用惰性基材（如合金、高分子聚合物、生物陶瓷）进行骨缺损移值修复、脊柱修复、关节置换已经成为一种高效地临床治疗策略。然而，与植入体相关的病理性细菌感染频发对患者的康复构成了重大的潜在风险。在临床上，抗生素治疗通常被认为是对抗植入体相关细菌感染最有效方法。然而，众所周知的是抗生素治疗靶向性差，全身性给药则极大地增加了细菌耐药性发生可能性，以及多种并发症发生的风险。因此，迫切地需要一种新型的治疗手段对抗植入体相关感染。压电催化治疗作为一种新型的治疗方式，因其高时空选择性、深组织穿透能力和非侵入性，以及不会引起细菌耐药性而受到广泛地关注，使其成为治疗植入体相关微生物感染的潜在有效手段。同光动力治疗原理类似但并不相同，在超声产生的周期性机械应力作用下，声敏剂发生形变产生压电表面电势，压电表面电势会诱导声敏剂内部载流子极化分离，并迁移到声敏剂表面与声敏剂吸附的含氧物种反应生成反应活性氧物种（ros）。ros会直接作用于微生物，破坏微生物的氧化还原稳态微环境，干扰dna转录和蛋白质合成，且不会导致细菌耐药性，最终导致微生物死亡。近年来，纳米材料技术发展迅猛，纳米声敏剂由于可以协同压电催化疗法和化动力疗法，等多种治疗方式，在生物医学领域得到了广泛的应用。特别是二维（2d）结构的卤氧化铋（biox，x=cl，br，i）因其合适的能带宽度和适当的氧化还原电位，在超声刺激下产生的活性氧可使细菌破裂死亡，使得其在植入体相关细菌感染治疗中具有巨大的应用潜力。然而，由于biox本身的压电性能较弱和其窄带隙会限制极化载流子的高效分离，导致ros较低的生成产率，不能到达令人满意的细菌清除效果。在此前的研究中，通过整合贵金属和半导体来构建肖特基异质结，已被证明能够促进界面电荷的重组，从而在界面上实现有效的电荷分离。同时，异质结界面缺陷态的产生将影响半导体的压电特性，从而使其成为改善biox压电催化抗菌性能的一种潜在策略。研究表明，少层的二维mxene（ti3c2）因其高导电性、大比表面积和出色的生物相容性，成为一种很有前途的贵金属替代品。因此，构建biox/mxene压电生物异质结涂层有望在对抗植入体相关细菌感染治疗中达到令人满意的治疗效果。在这里，本发明通过超声液相剥离技术结合溶剂热法，实现在少层mxene表面自下而上原位生长层状biox，形成biox/mxene压电生物异质结。选择具有良好生物相容性、机械性能和化学稳定性的3d打印pekk支架作为概念验证型支架，通过表面旋涂技术将biox/mxene负载到3d打印多孔pekk表面。在超声作用下，2d biox能带发生偏移，同时产生压电表面电势驱驶biox体相载流子分离，此时mxene因其高导电性发挥高效的电荷分离能力，实现跨空间载流子的高效分离，从而促使ros爆发式生成，达到快速清除植入体相关细菌感染。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对植入体支架无法有效地对抗、清除细菌感染，设计并开发了一种由biox和mxene构成的压电生物异质结催化涂层，用于对抗植入体相关感染，促进组织修复。本发明还提供了上述材料的制备方法：首先通过超声液相剥离制备少层的ti3c2mxene，然后通过静电吸附的方式采用自下而上的策略在mxene上原位生长biox纳米片，并将biox/mxene压电异质结通过旋涂的方式负载到3d打印的多孔聚醚酮酮（pekk）支架。所述材料具有良好的生物相容性和高效的抗菌性能，可以对抗植入体相关急性感染，减少炎症浸润，促进组织再生。

2、本发明提供的biox/mxene压电生物异质结可通过包括以下工艺步骤来制备：

3、（1）biox的制备：称取5 mmol的bi(no)3·5h2o，将其溶解在40 ml乙二醇中，形成溶液a。称取5 mmol kx (x包括cl，br，i)并将其溶解在20 ml去离子水（di）中，形成溶液b。然后将溶液b缓慢滴加到溶液a中，800 rpm搅拌30 min形成溶液c。最后将c溶液转移到100 ml聚四氟乙烯内衬里，置于防爆干燥箱中，加热至150 °c水热反应6小时。

4、（2）1g 氟化锂（lif）粉末加入20 ml盐酸溶液（9m）搅拌半小时，然后将1 g ti2alc缓慢加入上述混合溶液持续搅拌24小时，反应温度保持在45℃。所得样品反复离心（3500rpm）洗涤直至上清液ph≈6-7。之后样品通过超声水浴处理1小时，再离心（8000 rpm）取上清液，冻干即为mxene。

5、（3）压电生物异质结的制备：按照理论biox产率与mxene的质量比100：3，称取不同质量mxene和5 mmol bi(no)3·5h2o溶于40 ml乙二醇溶液中并超声搅拌2 h形成溶液a。称取5 mmol kx (x包括cl，br，i)并将其溶解在20 ml 去离子水（di）中，形成溶液b。然后将溶液b缓慢滴加到溶液a中，800 rpm搅拌30 min形成溶液c。最后将c溶液转移到100 ml 聚四氟乙烯内衬里，置于防爆干燥箱中，加热至150 °c水热反应6小时。反应后样品通过抽滤，取沉淀分散在乙醇溶液中，放置于真空干燥箱，温度为60 °c，保温12 h。

6、在本发明的上述技术方案中，所述mxene的表面带有氟、羟基等基团，使mxene表面带有负电，能够和biox发生物理化学结合。

7、在本发明的上述技术方案中，层状biox和mxene结合形成压电生物异质结。通过具有类金属性质的mxene与biox发生紧密的界面接触，调控界面电荷重新分布，强化biox压电性能。同时由于配位缺陷，诱导了biox体相表面氧空位缺陷的生成，在氧空位和mxene协同作用下促使声致载流子的高效分离，促进了ros的产率，强化其对抗植入体感染性能。同时，通过快速抗菌缩减了组织修复炎症阶段促使组织修复。

8、综上所述，本发明克服了现有植入体缺乏有效的抗微生物感染手段。通过简单的溶剂热法制备biox/mxene压电生物异质结涂层，用于对抗植入体相关微生物感染。biox/mxene异质结的构筑即强化了biox的压电性能，又促进了载流子的有效分离。在多重反应活性氧和载流子协同作用下，会有效促使细菌氧化应激并干扰细菌能量代谢，最终实现细菌的高效清除。此外，biox/mxene压电生物异质结具有良好的生物相容性。因此，biox/mxene压电生物异质结智能涂层在针对植入体相关感染修复中具有很大的潜力。

技术特征：

1.一种超声激活的压电异质结抗菌涂层制备方法及其应用，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的压电异质结抗菌涂层的制备方法，其特征在于：所述铋源为五水合硝酸铋，所述卤源为氯化钾、溴化钾、碘化钾，所述钛源为碳化铝钛。

3.根据权利要求1所述的压电异质结抗菌涂层的制备方法，其特征在于：溶液a与b混合搅拌转速为800 rpm，搅拌时间为 30min。

4.根据权利要求1所述的压电异质结抗菌涂层的制备方法，其特征在于：所述mxene吸附5 mm五水合硝酸铋的乙二醇溶液，吸附时间为2 h，超声功率为300 w。

5.根据权利要求1所述的压电异质结抗菌涂层的制备方法，其特征在于：所述溶剂热反应温度为150 °c，反应时间6小时。

6.根据权利要求1所述的压电异质结抗菌涂层的制备方法，其特征在于：反应后样品通过抽滤取沉淀分散在乙醇溶液中，放置于真空干燥箱，温度为60 °c，保温12 h。

7.根据权利要求1所述的压电异质结抗菌涂层的制备方法，其特征在于：所述biox与mxene的配比关系为质量比100：3。

8.权利要求1-7任一项所述的压电异质结抗菌涂层的制备方法制得的biox/mxene压电异质结抗菌涂层。

9.权利要求8所述的biox/mxene抗菌涂层在修饰抗植入体细菌感染中的应用。

技术总结
本发明设计并开发了一种可超声响应生物降解的含卤氧化铋（BiOX，X=Cl，Br，I）以及Ti<subgt;3</subgt;C<subgt;2 </subgt;Mxene复合材料的植入体表面纳米抗菌涂层，用于对抗植入体相关细菌感染。本发明还提供了上述材料的制备方法：先分别制备少层Ti<subgt;3</subgt;C<subgt;2</subgt; Mxene和层状BiOX，再将Mxene和BiOX复合形成压电生物异质结，通过表面旋涂将BiOX/Mxene异质结涂层涂覆在3D打印多孔聚醚酮酮支架上。在超声作用下压电生物异质结可产生足量的活性氧（ROS）以替代传统抗生素治疗对抗细菌感染，同时在创面修复阶段可缩短炎症反应周期促进感染性创面修复。所述材料具有优良的生物相容性、较低的细胞毒性和持久的抗菌性能，能够有效地对抗植入体相关细菌感染。

技术研发人员：邓怡,陈彦百,曹建,何帅,陈琳,师红星
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/27