两性离子改性壳聚糖及其高强度水凝胶

发布时间：2017-09-15 20:19

  本文关键词：两性离子改性壳聚糖及其高强度水凝胶

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【摘要】：壳聚糖(CS)作为一种具有良好生物相容性、抗菌性及生物降解性的天然大分子,其独特的性能使其在生物医学领域具有广泛的应用前景。但普通的CS只溶于稀酸溶液,而不溶于中性和碱性水溶液,也无法溶于普通有机溶剂,这极大的限制了其在生物医用领域的应用。同时CS要想在生物领域取得广泛的应用,生物安全性也是必备条件,因此开发具有良好溶解性和生物相容性同时不影响其抗菌性的壳聚糖衍生物具有重要意义。壳聚糖基水凝胶近年来被广泛应用于药物载体及生物组织工程的研究,但目前所报道的壳聚糖基水凝胶大多力学性能较差,同时生物相容性也有待改善,因此开发具有良好生物相容性的高强度壳聚糖基水凝胶同样具有很重要的现实意义。本研究以扩展CS的溶解范围、提高其生物相容性和抗菌性,开发具有良好生物相容性的高强度壳聚糖基水凝胶为目的。通过分别在CS的2位氨基和6位羟基上接枝季铵盐和两性离子,成功制备出兼具良好抗菌性和生物相容性的水溶性CS衍生物(Q_3B_y CS,y=1~3)。通过以CS为基材,成功制备出高强度的壳聚糖-聚丙烯酸羟乙酯双网络水凝胶(CS-PHEA DN-gel)和壳聚糖-聚两性离子-聚丙烯酸羟乙酯三层网络水凝胶(CS-PDMAPS-PHEA TN-gel),并对其力学性能、生物相容性、抗菌性进行了系统的研究。取得一下主要研究成果:1.采用环氧丙基三甲基氯化铵为季铵化试剂,通过环氧基团的开环反应在CS的氨基位接枝小分子季铵盐,合成了一系列不同取代度的季铵化壳聚糖(N-QxCS,x=1~3)。通过抗菌实验研究表明,N-Q_3CS的抗菌活性最高,因此选取具有较好抗菌效果的N-Q_3CS,采用邻苯二甲酸酐将其剩余的氨基保护起来,以异氰酸酯基团(-NCO)为活性基团在其6位羟基上接枝磺酸型两性离子,最后采用水合肼脱氨基保护,成功合成了季铵盐及两性离子双取代壳聚糖衍生物(Q_3B_y CS,y=1~3)。并采用FTIR、H-NMR、XRD对其结构进行了表征确认。水溶性实验表明Q_3B_y CS(y=1~3)在p H=3~11范围内均具有较好的水溶性,其中两性离子取代度为75.3%的Q_3B3CS在中性水溶液中溶解度高达200mg/m L以上;在浓度为2000μg/m L的N-Q_3CS中细胞存活率只有30%,而经两性离子改性的壳聚糖衍生物Q_3BCS中细胞的存活率提升到85%,而且溶血性由4.07%(N-Q_3CS)下降到0.06%(Q_3BCS),说明两性离子的引入可以大幅降低季铵化CS的生物毒性。而抗菌测试结果显示,相比季铵化壳聚糖N-Q_3CS,Q_3B_y CS(y=1~3)抗菌性并未出现大幅下降。2.以戊二醛为交联剂,将CS交联以形成具有不同交联度的第一层壳聚糖水凝胶;然后将质子化的壳聚糖水凝胶放入丙烯酸羟乙酯水溶液中充分溶胀,再进行光固化交联,形成不同交联度的CS-PHEA DN-gel(DNx gel,x=1~4)。研究发现随着交联度的增加,凝胶的含水量逐渐下降,模量逐渐增加;同一交联度的样品,随着含水量的下降,其力学强度逐渐增强,当含水量为75%时,DN1 gel压缩强度高达84.7MPa,拉伸强度达到0.29 MPa,断裂伸长率达到313%。3.在CS-PHEA DN-gel的基础上,进一步引入磺酸型两性离子PDMAPS作为第二层支架网络,PHEA则作为第三层网络合成了具有三层网络的CS-PDMAPS-PHEA TN-gel(TNy gel,y=1~4)。研究发现TN-gel不仅具有较好的力学性能,当含水量降为70%时,TN1 gel断裂伸长率达到1020%,拉伸强度也达到0.383MPa,而且其表现出较好的生物相容性,与细胞共同培养72h后,TN4 gel依然显示出94.4%的细胞存活率,Live/Dead实验也证实种植于TN-gel表面的细胞可以很好的增殖,其次相比较DN-gel,TN-gel显示出更好的抗巨噬细胞粘附能力。总之,两性离子的引入不仅降低了季铵化壳聚糖和壳聚糖基水凝胶的细胞毒性,而且赋予了水凝胶抗吸附功能,将其作为分子支架也可以在一定程度上提升壳聚糖基水凝胶的力学性能。
【关键词】：壳聚糖 两性离子 高强度水凝胶 生物相容性 抗粘附
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O636.1;TQ427.26
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-12
• 第1章 绪论12-26
• 1.1 壳聚糖及其衍生物12-19
• 1.1.1 壳聚糖的理化性质12-13
• 1.1.2 壳聚糖衍生物13-18
• 1.1.2.1 季铵化壳聚糖13-15
• 1.1.2.2 羧甲基壳聚糖15
• 1.1.2.3 烷基化壳聚糖15-16
• 1.1.2.4 季磷化壳聚糖16
• 1.1.2.5 其他壳聚糖衍生物16-18
• 1.1.3 壳聚糖及其衍生物的主要应用18-19
• 1.2 壳聚糖基水凝胶19-23
• 1.2.1 高分子水凝胶的定义及分类19
• 1.2.2 壳聚糖基水凝胶19-23
• 1.2.2.1 物理交联壳聚糖基水凝胶20-21
• 1.2.2.2 化学交联壳聚糖基水凝胶21-23
• 1.3 高强度水凝胶23-25
• 1.3.1 拓扑结构水凝胶23
• 1.3.2 互穿网络水凝胶23
• 1.3.3 纳米复合水凝胶23-24
• 1.3.4 双网络水凝胶24-25
• 1.4 本论文的选题意义25-26
• 第2章 两性离子修饰的季铵化壳聚糖的制备与表征26-46
• 2.1 实验部分26-30
• 2.1.1 原料及仪器26-28
• 2.1.2 异氰酸酯基团封端磺酸型两性离子改性剂的制备28-29
• 2.1.3 季铵化壳聚糖的制备29
• 2.1.4 两性离子接枝季铵化壳聚糖的制备29-30
• 2.2 结构及性能表征：30-33
• 2.2.1 红外光谱（FT-IR）30
• 2.2.2 核磁共振波谱（NMR）30
• 2.2.3 X射线衍射（XRD）30
• 2.2.4 抗菌活性分析30-31
• 2.2.5 抑菌圈测试31
• 2.2.6 细胞毒性分析31-32
• 2.2.7 溶解性能分析32
• 2.2.8 Zeta电位分析32
• 2.2.9 热失重分析32
• 2.2.10 溶血实验32-33
• 2.3 结果与讨论33-45
• 2.3.1 Q_3B_yCS的合成33-34
• 2.3.2 NCO-Betaine的结构表征34-35
• 2.3.3 N-QxCS和Q_3B_yCS的FTIR表征35-36
• 2.3.4 N-QxCS和Q_3B_yCS的1H-NMR表征36-38
• 2.3.5 Zeta电位分析38
• 2.3.6 溶解性分析38-39
• 2.3.7 XRD分析39-40
• 2.3.8 热重分析40-41
• 2.3.9 壳聚糖衍生物的抗菌活性分析41-43
• 2.3.10 细胞毒性分析43
• 2.3.11 溶血性43-45
• 2.4 本章小结45-46
• 第3章 壳聚糖基高强度水凝胶46-67
• 3.1 实验部分46-50
• 3.1.1 原料及仪器46-48
• 3.1.2 壳聚糖凝胶的制备48
• 3.1.3 聚丙烯酸羟乙酯水凝胶的制备48
• 3.1.4 壳聚糖-聚丙烯酸羟乙酯双网络水凝胶的制备48-49
• 3.1.5 壳聚糖-聚两性离子-聚丙烯酸羟乙酯三层网络水凝胶的制备49-50
• 3.2 结构及性能表征50-53
• 3.2.1 元素分析50-51
• 3.2.2 含水量的测试51
• 3.2.3 力学性能测试51
• 3.2.4 形貌观察51
• 3.2.5 等电点测试51-52
• 3.2.6 细胞活性测试52-53
• 3.2.7 抗粘附实验53
• 3.2.8 凝胶抗菌实验53
• 3.3 结果与讨论53-66
• 3.3.1 水凝胶组成及含水量的分析53-54
• 3.3.2 CS-PHEA双网络水凝胶力学性能54-56
• 3.3.3 CS-PDMAPS-PHEA三层网络水凝胶力学性能56-57
• 3.3.4 水凝胶形貌分析57-59
• 3.3.5 CS-PHEA双网络水凝胶等电点的测定59
• 3.3.6 生物相容性59-62
• 3.4.7 抗细胞吸附性能测试62-63
• 3.3.8 抗菌性能测试63-66
• 3.4 本章小结66-67
• 第4章 结论67-68
• 参考文献68-80
• 致谢80-81
• 攻读硕士学位期间的研究成果81

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本文编号：858673