光诱导-可逆加成断裂链转移聚合在聚乙烯醇水凝胶上接枝聚合物构建抗生物粘附功能表面及性能研究

发布时间：2020-09-05 07:24

　　 聚乙烯醇(PVA)水凝胶是常用的生物材料其性能优异,但是在植入人体后仍然会产生生物粘附问题。本文将新型绿色的、可工业化应用的光诱导-可逆加成断裂链转移(PET-RAFT)聚合应用在水凝胶表面修饰,成功构建了季铵盐壳聚糖、两性离子和温度刺激响应三种功能性表面,提高了水凝胶的抗生物粘附性能,并扩大了应用范围、降低了使用风险。本文主要研究内容如下:(1)根据陈以昀和Boyer课题组的研究成果,推断PVA水凝胶上的羟基与接枝单体的双键发生PET-RAFT聚合而形成醚键。ATR-FTIR和XPS验证了这一说法。反应因素结果表明:CPADB和光催化剂在合适的浓度下可形成稳定的自由基浓度;光催化剂的催化效率随着光吸收强度的提高而提高;接枝率随单体浓度的提高而提高;无氧环境下的反应效率比有氧的高;接枝反应前期缓慢,中期逐步提高,而后期趋于稳定;反应温度可提高反应速率;氯铝酞菁(AlPc)体系可透过遮挡物进行反应,但反应效率较低。(2)采用PET-RAFT聚合和开环反应两步法成功在PVA水凝胶上接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)和2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖(HACC)。接枝后,水凝胶热力学性能降低,亲水性和力学性能变化较大,光学透过率降低。PVA-g-pGMA和PVA-g-p(GMA-HACC)水凝胶细胞毒性分别为0级和1级。水凝胶接枝GMA引入的环氧基团提高了生物粘附性能(蛋白吸附性能提高50.78%,细胞粘附性能提高23.08%-42.58%)。而PVA-g-p(GMA-HACC)水凝胶由于空间排斥效应和表面水化效应,抗蛋白吸附性能提高39.59%,抗细胞粘附性能提高44.50%-54.52%。(3)采用PET-RAFT聚合一步法在有氧环境将MEDSAH两性离子接枝至PVA水凝胶上。接枝后,水凝胶热力学性能和力学性能降低,亲水性提高(接触角14.6°),光学透过率88.8%。PVA-g-pMEDSAH水凝胶细胞毒性为1级。基于表面水化效应和空间排斥效应,水凝胶的抗蛋白吸附性能提高59.53%,抗细胞粘附性能提高71.82%-75.86%。(4)采用荧光黄体系在有氧环境下成功接枝NIPAAm温度刺激响应聚合物至PVA水凝胶上。接枝后,水凝胶的热力学性能和力学性能变化较小,亲水性提高且具有温敏特性(25℃时接触角4.3°,37℃时接触角37.4°),光学透过率92.2%。PVA-g-pNIPAAm水凝胶细胞毒性为1级。水凝胶的抗蛋白吸附性能提高且具有温敏特性(25℃时提高56.09%,37℃时提高42.75%),抗细胞粘附性能提高37.29%-46.65%,其主要原因是空间排斥效应。(5)采用AlPc体系在有氧环境下成功接枝CBMA两性离子至PVA水凝胶上。接枝后,水凝胶的热力学性能和力学性能降低,亲水性提高(接触角16.8°),但AlPc残留影响水凝胶光学性能。PVA-g-pCBMA水凝胶细胞毒性为1级。基于表面水化效应和空间排斥效应,抗蛋白吸附性能提高64.62%,抗细胞粘附性能提高71.24%-77.70%。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O648.17;R318.08
【部分图文】：

逡逑Ｂｒｅｙｅｒｓ和Ｒａｔｎｅｒ等［６］将生物膜形成归结为九个阶段流程有（详见图１．１）：逡逑１．环境物质的吸附：２．细胞的分裂：３．细胞表面吸附；４．可逆吸附细胞的解吸；５．逡逑细菌细胞在表面的不可逆吸附：６．细胞信号分子的产生：７．细胞的复制和增殖：８．逡逑分泌细胞外基质（ＥＰＳ），将粘附的物质包裹起来，从而形成生物膜；９．分离或脱逡逑落的生物膜去除。粘附在材料表面的生物分子被细胞外基质（ＥＰＳ）包裹后可以逡逑保护生物分子不受免疫反应和化学药剂的影响。同时，被包裹的生物分子在ＥＰＳ逡逑内既可以从外界吸收营养物质，又有助于粘附物质的生长和繁殖，从而分泌更多逡逑的ＥＰＳ。因此，生物膜一旦形成，生物粘附就有可能快速地发生在人体植入材料逡逑上，外力作用下（如机械作用、紫外光或激光［７］、常规灭菌剂等）通常也难完全有逡逑效的去除生物膜。逡逑１．邋Ｓｕｂｓｔｒａｔｕｍ逡逑ｐｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ邋ｂｙ逡逑ａｍｂｉｅｎｔ邋ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ逦？逡逑／逡逑ｇ逦？？？？？？逦一逡逑２．邋Ｃｅｌｌ逦４．邋Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ逦６．邋Ｃｏｎｖｅｃｔｉｖｅ邋？逦９．邋Ｄｅｔａｃｈｍｅｎｔ，邋Ｖ逡逑ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ逦ｊ逦■邋ａｎｄ邋ｄｉｆｆｕｓｉｖｅ邋．逦ｅｒｏｓｉｏｎ邋ａｎｄ邋＼逡逑么逦Ｉ逦ｊ邋ｉ邋Ｊ邋ｆ逦？邋ｔｒａｎｓｐｏｒｔ邋ｏｆ邋０２逦？逦ｓｌｏｕｇｈｉｎｇ邋Ｉ逡逑Ｊ逦Ｊ逦ａｎｄ邋ｎｕｔｒｉｅｎｔｓ邋／邋８＞逦ｏｆ逦ｊ逡逑Ｍ逦＂邋ｊ邋

逦Ｙ逦Ａ逦３周＋逡逑＼＾３０分钟到２天＼＾＾间、舍｜逦４逡逑（先是中性白ＳＩ；Ｓ是巨咖胞）逡逑图１．２植入材料的异物反应［２］逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｔｈｅ邋ｆｏｒｅｉｇｎ邋ｂｏｄｙ邋ｒｅａｃｔｉｏｎ邋ｔｏ邋ｉｍｐｌａｎｔｓ逡逑综上所述，材料的生物粘附行为过程（细胞内部的分子水平角度）：首先，在逡逑粘附的初始阶段材料表面主要是一层基膜吸附行为（例如蛋白质）；然后，细胞、逡逑微生物等生物分子或生物体才开始粘附在材料表面；［ｕ］随着粘附程度的深入，最逡逑终形成生物膜。［１２］生物粘附的实质是蛋白质、细胞膜表面受体与生物材料表面分逡逑子间的相互识别，从而产生生物特异性和非特异性作用。配位结合、疏水性结合、逡逑静电结合、氢键结合等是两者相互作用的主要方式。［１３’１４］逡逑１．２．２抗生物粘附及抗粘附机理逡逑抗生物粘附是指能有效抵抗蛋白、细胞、细菌等生物体或生物分子的非特异逡逑性吸附或粘附。基于上述材料的生物粘附行为过程的阐述以及大量的实验研究表逡逑明，材料抗生物粘附性能与材料表面特性［１５］（化学结构、表面或内部形貌、表面逡逑张力、表面能、亲疏水性等）和蛋白质的种类、大小等因素有关。而蛋白与材料逡逑表面间的相互作用有：疏水、范德华力、静电作用力和氢键等。［１６］尽管科学家们逡逑提出了多种材料表面抗生物枯附机理，如空间排斥效应（ｓｔｅｒｉｃｒｅｐｕｌｓｉｏｎ）［１７］、表面逡逑３逡逑

从生物仿生角度看，甜菜碱型两性离子聚合物的结构与细胞膜外的物逡逑质相似，如磷酰胆碱与细胞膜外层物质的磷脂极性头部（多为磷酰胆碱基团）相逡逑似。细胞膜的结构示意图见图１．７。因此将两性离子聚合物引入材料表面是一种逡逑生物仿生设计。根据仿生设计提高材料抗生物粘附性能的现象，林思聪等［３３’３４３提逡逑出了“主链侧基协同作用”和“维持天然构象”的假说。磷酰胆碱是最早用于在逡逑材料表面构建仿生生物表面的物质，同时也是最好的抗生物粘附材料。［Ｅ４］材料表逡逑面经磷酰胆碱修饰后，材料的抗生物粘附性能和生物相容性得到很大的提高。［Ｋ］逡逑但是磷酰胆碱的合成困难，价格昂贵，使其在实际应用中受到一定的限制。逡逑＿媭逡逑（ａ）逦（ｂ）逦（ｃ）逡逑图１．７生物的细胞膜表面的化学组成和结构示意图１Ｐ逡逑Ｆｉｇ．邋１．７邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｌｉｐｉｄ邋ｂｉｌａｙｅｒ邋ｏｆ邋ｃｅｌｌ邋ｍｅｍｂｒａｎｅ邋ａｎｄ邋ｔｈｅ邋ｃｈｅｍｉｃａｌ邋ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ邋ａｎｄ逡逑ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｉｔｓ邋ｏｕｔｅｒ邋ｍｅｍｂｒａｎｅ逡逑８逡逑

本文编号：2812729