RATRP法制备具有抗凝血功能的聚氨酯生物材料

发布时间：2019-01-05 02:00

【摘要】：高分子生物材料在生物医学领域中扮演着重要的角色,广泛地应用于人造器官以及各种诊断治疗用的器械。当高分子材料与活体组织接触时,会导致一些排异的反应,诸如血栓形成、炎症等,这已成为生物材料研究的瓶颈。提高高分子生物材料的生物相容性、研发具有良好生物相容性高分子材料具有重要科学意义和巨大的经济社会效益。深入研究生物材料表面/界面及其生物功能化修饰,可对生物材料的性能和应用带来突破性进展。两性离子化合物是一类分子链上同时含有阴阳离子基团但整体却呈电荷中性的化合物,它具有优异的抗非特异性蛋白吸附、抗血小板粘附等特点,是一类优异的血液相容性材料。磷酰胆碱类两性离子聚合物在抗凝血生物材料的研究方面已经得到了广泛的应用。生物材料应用的关键之一在于制备生物相容的表面,因此材料表面改性是研发新型生物材料的重要手段。在高分子材料表面构建特定的分子结构以达到生物材料的物理化学性能与生物相容性的统一是发展高分子生物材料的一个重要途径。反向原子转移自由基聚合(RATRP)是一种在近几年迅速发展并被广泛应用的活性聚合方法,较之原子转移自由基聚合(ATRP)法,更是保留了ATRP的优点,又避免其缺点。通过RATRP反应,可以利用通用型引发剂和催化剂,在材料表面可控构建一定长度和密度的功能性高分子链,从而达到调控材料表面生物相容性的目的。常规RATRP反应中,采用氯化铜(CuCl2)作为催化剂,2,2’-联吡啶(Bpy)作为配体,存在着配体成本高、有毒性、接枝密度不高等问题。因此,研究更适宜的RATRP催化体系,并将其应用于生物医用材料具有重要的理论意义和实践意义。故此,本论文设计了三种新型的RATRP络合催化体系,利用ATRP法制备了具有抗凝血功能的聚氨酯生物材料,其具体研究内容如下： (1)本论文尝试采用硅烷偶联剂3-氯丙基三甲氧基硅烷(CPTM)取代常规配体Bpy,与氯化铜(CuCl2)形成新型的RATRP络合催化体系,使其既承担偶联剂的作用,又将其作为配体参与RATRP反应,由RATRP反应将磷铵两性离子单体(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱,MPC)接枝到生物材料表面,得到了PU表面规整的磷铵类两性离子聚合物刷,即PU-Si-g-P(MPC)材料。静态水接触角、X射线光电子能谱分析、傅里叶变换红外光谱、扫描电镜、原子力显微镜测试结果表明：PU表面成功地接枝了磷铵两性离子大分子,并且接枝层的厚度在一定时间内随着聚合时间的延长而增加；扫描电镜和原子力显微镜照片清晰显示了PU材料表面逐渐形成了密度渐增、分子平整的规整表面；血小板粘附、蛋白吸附实验和复钙实验表明该磷铵两性离子大分子修饰的PU基体具有出良好的抗血小板粘附性和血液相容性。 (2)常规RATRP反应或者ATRP反应,通常都存在接枝密度不高的缺陷。针对此问题,我们设计了新型RATP络合催化体系(氯化镧-硅烷偶联剂作为配体,氯化铜为催化剂)。我们将PU表面首先用LaCl3·6H2O处理,得到PU-LaCl3表面,这个表面存在较多的羟基,因此膜表面上直接引发的ATRP反应较易进行,反应过程中部分游离的La3+与CPTM复配,共同承担配体的作用,这是本工作中的一个创新点。用该复配体系代替传统的Bpy作为配体,参与PU膜表面直接引发的RATRP反应,得到了聚氨酯表面规整的磷铵类两性离子聚合物刷,即PU-La-Si-g-P(MPC)材料。静态水接触角、X射线光电子能谱分析、扫描电镜、原子力显微镜测试结果表明：PU表面成功地接枝了磷铵两性离子大分子P(MPC),并且接枝层的厚度一定时间内随着聚合时间的延长而增加；扫描电镜和原子力显微镜照片清晰显示了PU-La-Si-g-P(MPC)材料表面形貌规整有序；血小板粘附实验、蛋白吸附实验以及复钙实验表明该磷铵类两性离子大分子修饰的PU基体具有更好的抗血小板粘附性和血液相容性。 (3)既具有抗凝血又具有抗菌功效的生物材料无疑是更为理想的生物材料。故此,我们设计了新型的RATRP络合催化体系(氯化镧-醋酸洗必泰-硅烷偶联剂作为配体,氯化铜为催化剂)。本论文中将PU表面首先用LaCl3·6H2O和醋酸洗必泰(CA)预处理得到PU-La-CA表面。这个表面存在较多的羟基,因此在PU膜表面上直接引发的RATRP反应较易进行。LaCl3·6H2O与CA复配成空间结构较大的络合物(一般认为镧系络合物,其空间结构在一定范围内越大越稳定),在RATRP反应过程中La-CA与硅烷偶联剂CPTM以及部分游离的La3+一起,共同承担配体的作用。用该络合复配体系代替传统的Bpy作为配体,参与PU膜表面直接引发的RATRP反应,得到了聚氨酯表面规整的磷铵类两性离子聚合物刷,即PU-La-CA-Si-g-P(MPC)材料。红外、核磁、荧光光谱等测试表明：在一定条件下,LaCl3与CA可发生配位反应,生成具有晶体结构的配合物；静态水接触角、X射线光电子能谱、扫描电镜分析结果表明：PU表面成功地接枝了磷铵两性离子大分子；血小板粘附实验、蛋白吸附实验以及复钙实验表明该磷铵类两性离子大分子修饰的PU基体有更好的抗血小板粘附性和优异的抗凝血性能,且不会引发内源性凝血；细菌粘附实验表明,改性PU材料还具有良好的抗菌功能。PU-La-CA-Si-g-P(MPC)材料有望成为一种新型的、具有突破性的生物医用抗凝血材料。 (4)利用不同的络合催化体系,采用RATRP法可以在聚氨酯生物材料表面接枝一层具有良好血液相容性的“刷”状两性离子聚合物层,即PU-Si-g-P(MPC)、 PU-La-Si-g-P(MPC)、PU-La-CA-Si-g-P(MPC)材料。所制备聚合物“刷”的结构和性能很大程度上取决于它们在所固定表面的接枝率。现有检测方法一般采用椭圆偏振光谱(ELM)／凝胶渗透色谱法(GPC)法,此法对实验仪器及操作要求高。本文则利用ImageJ1.44e软件,结合扫描电镜这种常规表征手段,建立了一种简单易行的计算RATRP表面接枝率的新方法,以代替ELM/GPC法来表征生物材料膜表面的接枝率情况。并结合X射线光电子能谱分析、原子力显微镜等方法对所合成的新型PU-Si-g-P(MPC)、PU-La-Si-g-P(MPC)、PU-La-CA-Si-g-P(MPC)生物材料接枝前后表面元素变化、表面形貌以及生物相容性能进行了分析比较。结果表明通过络合配体的优化选择,改性PU材料表面接枝率明显提高,同时显示改性材料具有规整的表面形貌以及良好的生物相容性。
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【学位授予单位】：南京师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：R318.08

【参考文献】