酶法和原位化学连接法交联生物高分子水凝胶的研究

发布时间：2017-05-09 11:18

  本文关键词：酶法和原位化学连接法交联生物高分子水凝胶的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：天然高分子水凝胶具有优良的生物相容性、可降解性等优点,但通常力学强度较差。化学交联可以提高力学性能,不足之处是交联剂的残留常常会引起毒性反应,限制了其在生物医学领域的应用。为克服这些缺陷,本课题以透明质酸(HA)、明胶、聚谷氨酸(PGA)和聚赖氨酸(EPL)等天然高分子为原料,采用酶法、原位化学连接法(NCL)研究制备了一系列生物水凝胶,并进一步通过互穿网络技术提高水凝胶的力学强度。论文还系统研究了生物水凝胶的形态结构、降解性、生物相容性等,具体如下：第一章中,通过自然化学连接反应(NCL)制备杂化聚氨基酸生物水凝胶。首先,合成了高半胱氨酸硫内酯接枝聚谷氨酸前体大分子PGA-HC和半胱氨酸接枝聚赖氨酸前体大分子EPL-C。两种前体大分子室温下通过NCL反应交联成聚氨基酸水凝胶,凝胶化时间为40-100分钟；通过改变前体大分子的组成,水凝胶的压缩强度可以在40-60 KPa之间进行调节。此外,研究了水凝胶的形态结构、平衡含水量、体外降解性、生物相容性等。结果显示,杂化聚氨基酸生物水凝胶具有通孔的内部结构,可调节的平衡含水量且具有良好的生物相容性。第二章采用NCL方法设计制备了聚谷氨酸(PGA)水凝胶。采用半胱氨酸(C)接枝修饰的PGA前体大分子PGA-C与PGA-HC前体大分子混合,在温和的条件下通过自然化学连接反应得到纯PGA水凝胶,凝胶化时间可以在3.5-8小时内进行调节,压缩强度为241.9-347.5 KPa。此外,详细分析了水凝胶样品的形态结构、平衡含水量、酶降解行为、溶胀性、生物相容性等。结果显示,NCL法制备的纯PGA水凝胶具有可调节的含水量,不同前体组分的PGA水凝胶均显示出优良的生物相容性。第三章利用酶法交联制备原位可注射聚谷氨酸(PGA)水凝胶。首先,合成了酪胺(Ty)接枝聚谷氨酸前体大分子PGA-Ty。之后,在辣根过氧化物酶(HRP)和低浓度双氧水(10mmol/L)共同存在下,PGA-Ty溶液发生酶交联反应,得到PGA水凝胶,其凝胶化时间为10±2s,压缩强度在3796.7-11568.6 Pa之间,平衡含水量可在13.2-18.1之间进行调节。冷冻干燥PGA水凝胶得到多孔支架,其内部孔径在10到100微米之间。采用MTT方法评价,结果表明PGA水凝胶无任何毒性。第四章采用双酶交联方法,研究制备明胶/透明质酸互穿网络(IPN)生物水凝胶。将透明质酸酪胺大分子前体(HA-Ty)溶液和明胶溶液混合,在辣根过氧化物酶(HRP)和谷胺转氨酶(mTG)共同存在下,37℃水浴中制备得到IPN水凝胶。流变学实验证明：HRP交联HA-Ty形成一个网络；mTG交联明胶形成另一个网络,两个网络交叉互穿,并彼此独立。得到的双酶交联IPN水凝胶的压缩强度远高于单酶交联水凝胶,高于半互穿网络凝胶,降解行为可控。生物学实验证明,IPN水凝胶具有良好生物相容性,且对小鼠成纤维细胞(L929)的迁移、增殖有着良好的促进作用。论文选用温和的交联方法,成功制备出一系列生物大分子水凝胶,具有良好的生物相容性、力学性能、降解性、含水量等在一定范围内可调控,有望用于组织工程支架、创伤修复材料、药物或细胞载体等。
【关键词】：天然高分子 生物水凝胶 酶交联 原位化学连接 力学性能 生物相容性
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O648.17
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-15
• 第一章 绪论15-65
• 1.1 生物医用高分子水凝胶概述15-16
• 1.2 生物医用高分子水凝胶基底材料16-30
• 1.2.1 合成高分子16-21
• 1.2.1.1 Poly(ethylene glycol)聚乙二醇基水凝胶16-17
• 1.2.1.2 Poly(vinyl alcohol)聚乙烯醇基水凝胶17-19
• 1.2.1.3 Polyphosphazenes聚膦腈基水凝胶19-20
• 1.2.1.4 其他常用合成高分子基水凝胶20-21
• 1.2.2 天然高分子21-28
• 1.2.2.1 (Hyaluronic acid)透明质酸基天然高分子水凝胶21-23
• 1.2.2.2 (Chitosan)壳聚糖基天然高分子水凝胶23-24
• 1.2.2.3 (Gelatin)明胶基天然高分子水凝胶24-25
• 1.2.2.4 Poly(glutamic acid)聚谷氨酸基天然高分子水凝胶25-27
• 1.2.2.5 其他天然高分子基水凝胶27-28
• 1.2.3 多肽基水凝胶28-30
• 1.3 生物医用高分子水凝胶交联方法30-42
• 1.3.1 化学交联30-37
• 1.3.1.1 自由基交联法30-31
• 1.3.1.2 点击化学交联法31-37
• 1.3.1.2.1 Diels-Alder反应31-33
• 1.3.1.2.2 Thiol-ene反应33-34
• 1.3.1.2.3 迈克尔加成(Michael-addition)反应34-35
• 1.3.1.2.4 自然化学连接(Native Chemical Ligation)反应35-37
• 1.3.2 物理交联37-39
• 1.3.2.1 离子交联法37-38
• 1.3.2.2 氢键交联法38
• 1.3.2.3 热致交联法38-39
• 1.3.3 酶交联39-42
• 1.3.3.1 谷氨酰胺转移酶(mTG)39-40
• 1.3.3.2 辣根过氧化物酶(HRP)40-41
• 1.3.3.3 磷酸酶41-42
• 1.4 生物医用高分子水凝胶应用领域42-47
• 1.4.1 皮肤及创伤修复42-43
• 1.4.2 神经再生43-44
• 1.4.3 肝脏再生44-45
• 1.4.4 生殖医学45
• 1.4.5 肌肉骨骼45-46
• 1.4.6 角膜接触镜46-47
• 1.5 领域展望47
• 1.6 本论文研究目的及主要内容47-50
• 参考文献50-65
• 第二章 NCL方法制备PGA/EPL基生物医用水凝胶65-87
• 2.1 引言65-66
• 2.2 实验部分66-73
• 2.2.1 试剂与仪器66-67
• 2.2.2 接枝半胱氨酸(C)的前体大分子EPL-C的合成67-69
• 2.2.3 接枝硫内酯(HC)的前体大分子PGA-HC的合成69-70
• 2.2.4 NCL水凝胶制备70-71
• 2.2.5 平衡含水量测试71
• 2.2.6 形态结构71-72
• 2.2.7 力学性能72
• 2.2.8 体外降解及溶胀实验72-73
• 2.2.9 体外细胞毒性评价73
• 2.3 结果与讨论73-81
• 2.3.1 两种前体的合成73-74
• 2.3.2 水凝胶的制备74-76
• 2.3.3 平衡含水量76-77
• 2.3.4 形态结构77-78
• 2.3.5 力学性能78-79
• 2.3.6 体外降解及溶胀79-80
• 2.3.7 体外细胞毒性评价80-81
• 2.4 本章小结81-83
• 参考文献83-87
• 第三章 NCL方法制备PGA基生物医用水凝胶87-103
• 3.1 引言87
• 3.2 实验部分87-94
• 3.2.1 试剂与仪器87-88
• 3.2.2 接枝半胱氨酸(C)的前体大分子PGA-C的合成88-90
• 3.2.3 接枝硫内酯(HC)的前体大分子PGA-HC的合成90-91
• 3.2.4 水凝胶的制备91-92
• 3.2.5 平衡含水量测试92
• 3.2.6 形态结构92-93
• 3.2.7 力学性能93
• 3.2.8 体外酶降解及溶胀实验93
• 3.2.9 体外细胞毒性评价93-94
• 3.3 结果与讨论94-101
• 3.3.1 两种前体的合成94-95
• 3.3.2 水凝胶的制备95-96
• 3.3.3 平衡含水量96-97
• 3.3.4 形态结构97-98
• 3.3.5 力学性能98-99
• 3.3.6 体外酶降解及溶胀99-100
• 3.3.7 体外细胞毒性评价100-101
• 3.4 本章小结101-102
• 参考文献102-103
• 第四章 可注射酶交联PGA水凝胶的制备与表征103-123
• 4.1 引言103-104
• 4.2 实验部分104-109
• 4.2.1 试剂与仪器104-105
• 4.2.2 酪胺接枝聚谷氨酸前体PGA-Ty的合成105-106
• 4.2.3 PGA-Ty水凝胶的制备106-107
• 4.2.4 水凝胶平衡含水量测试107
• 4.2.5 形态结构107
• 4.2.6 力学性能107-108
• 4.2.7 体外酶降解实验108
• 4.2.8 体外细胞毒性评价108-109
• 4.3 结果与讨论109-117
• 4.3.1 酪胺接枝聚谷氨酸前体PGA-Ty的合成109-111
• 4.3.2 原位形成PGA-Ty水凝胶111-112
• 4.3.3 平衡含水量112-113
• 4.3.4 形态结构113-114
• 4.3.5 力学性能114-115
• 4.3.6 体外酶降解115-116
• 4.3.7 体外细胞毒性评价116-117
• 4.4 本章小结117-118
• 参考文献118-123
• 第五章 双酶法明胶/透明质酸基互穿网络水凝胶的制备与表征123-143
• 5.1 引言123-124
• 5.2 实验部分124-130
• 5.2.1 试剂与仪器124-125
• 5.2.2 酪胺接枝透明质酸大分子的合成125-126
• 5.2.3 流变测试126-127
• 5.2.4 互穿网络水凝胶的制备127-128
• 5.2.5 平衡含水量测试128
• 5.2.6 力学性能128-129
• 5.2.7 体外酶降解实验129
• 5.2.8 体外细胞毒性评价129
• 5.2.9 细胞接种及影像129-130
• 5.2.10 统计分析130
• 5.3 结果与讨论130-139
• 5.3.1 流变学研究131-133
• 5.3.2 力学性能133-135
• 5.3.3 体外酶降解135-136
• 5.3.4 平衡含水量测试136-137
• 5.3.5 体外细胞毒性评价137-138
• 5.3.6 细胞接种及影像138-139
• 5.4 本章小结139-140
• 参考文献140-143
• 第六章 全文总结与展望143-147
• 6.1 全文总结143-145
• 6.2 展望145-147
• 附录 攻读博士学位期间所发表的学术论文及专利147-149
• 致谢149

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