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非共价键合聚合物抗污涂层的制备及应用研究

【摘要】:蛋白质在材料表面的非特异性吸附常常会影响到生物材料的使用性能,因此,对材料表面进行抗蛋白质吸附的改性成为了生物材料领域的重要研究课题,随后聚合物抗污涂层得到了广泛的应用。目前,聚合物涂层的制备方法主要有以下两大类:一、共价键合涂层,该方法制备的涂层具有很好的稳定性,但是制备过程相对复杂且可控性差;二、非共价键合涂层,该制备过程简单快速,但是涂层稳定性较差,很容易从基底表面脱落。基于以上问题,为了提高非共价键合的涂层的稳定性,我们开展了以下工作: 1)我们利用可逆加成断裂链转移(RAFT)聚合和原子转移自由基聚合(ATRP)联用的方法合成了双亲水性双接枝共聚物-聚甲基丙烯酸酯-g-聚乙二醇/聚(N,N-二甲基丙烯酰胺)(PMA-g-PEG/PDMA),然后利用PDMA的自涂覆性能将PMA-g-PEG/PDMA涂覆到熔融硅毛细管内壁,研究了该涂层的稳定性及抗蛋白质吸附性能。电渗流(EOF)研究表明,PDMA的存在明显提高了聚合物涂层的涂覆性能及稳定性,且在pH=2.8~9.8的范围内,EOF的抑制效果随PDMA含量的增高及PMA-g-PEG/PDMA分子量的增大而提高。同时,蛋白质回收率和理论塔板数结果表明PEG含量的提高及PMA-g-PEG/PDMA分子量的增大都可以减少蛋白质在毛细管内壁的吸附。 2)为了进一步提高涂层的稳定性,同时可以运用毛细管电泳方法定量分析药物人血白蛋白,我们采用热交联的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)修饰熔融硅毛细管内壁,以阻抗蛋白质在其表面发生吸附。该涂层管制备方法为:将PVP配制成一定浓度的水溶液,直接充入毛细管中,然后升温至200℃,即得到PVP涂层毛细管。该涂层管在pH2.20~9.00范围内能够有效地抑制电渗流(EOF),同时对四种碱性蛋白(溶菌酶、细胞色素c、核糖核酸酶A以及a-胰凝乳蛋白酶原A)的分离具有很好的重复性以及分离效率,并且当pH为7.00时仍然能够实现四种碱性蛋白的分离。用PVP50-3涂层管(代表制备涂层管时所用的PVP水溶液浓度为50mg/mL,热处理时间为3h)分析人血清白蛋白(HSA),结果表明其在单个蛋白溶液以及混合血液蛋白溶液中的蛋白回收率分别为97.03%和95.40%,涂层管内壁HSA的吸附量较低。基于以上研究结果,我们使用PVP50-3涂层管定量分析药用人血白蛋白的蛋白含量,通过重复性实验(相同毛细管运行不同次数,运行不同天数以及不同批次涂层毛细管间分析结果)表明利用该涂层管可以进行商品化的人血白蛋白的质量检测。 3)聚(2-甲基-2-嗯唑啉)(PMOXA)的水合能力、生物相容性及稳定性都优于PEG,可以作为涂层材料对基底表面进行抗污修饰。为了提高PMOXA的涂覆性能,我们首先分别通过ATRP及阳离子开环聚合(CROP)方法得到末端为叠氮基团的聚(4-乙烯基吡啶)(ω-N3-P4VP)及末端为炔基的PMOXA (a-alkynyl-PMOXA),然后通过铜催化的叠氮-炔基环加成反应(CuAAC),得到一系列不同PMOXA嵌段长度的嵌段共聚物PMOXA-b-P4VP。由于P4VP吡啶环上的N与聚丙烯酸(PAA)上的羧基间具有氢键相互作用,因此我们在PMOXA-b-P4VP涂层的表面滴加PAA溶液即能得到交联的稳定涂层。通过改变PAA溶液的浓度及用量,分析涂层的形成过程,我们发现在交联过程中会同时有胶束化过程存在,胶束的稳定性与PAA用量有关。其次我们还发现胶束尺寸及表面粗糙度会随着共聚物中PMOXA链长的增加而增加,并且PMOXA-b-P4VP/PAA涂层的稳定性及亲水性能都随着聚合物中PMOXA含量的增加而提高。此种涂层的制备方法简单,与基底间无共价键存在,因此,适用于很多表面的修饰。研究表明通过这种方法无论是在无机材料(如硅片,盖玻片)表面,还是在有机材料(如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄片)表面,均能得到稳定的PMOXA-b-P4VP/PAA涂层。硅片表面PMOXA-b-P4VP/PAA涂层的pH响应性结果显示,交联后的涂层在pH=3-7的范围内较为稳定,表明该涂层可以应用于生理环境;同时研究结果显示修饰后的表面具有很好的抗蛋白质、血小板及细胞吸附性能,并且其抗污性能随着涂层中PMOXA含量的增加而提高。 4)由于P4VP在紫外光照条件下主链上能生成自由基,然后通过自由基间的偶联可得到交联的P4VP涂层。利用此性质,我们希望用更加简单的方法得到稳定的PMOXA涂层。首先我们利用嵌段共聚物PMOXA-b-P4VP制备涂层,发现PMOXA-b-P4VP涂层经过紫外光辐照后表面亲水性显著降低,与P4VP交联涂层的亲水性相当。为了提高PMOXA链段在涂层表面的含量,我们设计合成了一系列刷状共聚物P(4VP-co-PMOXA)。然后对其涂层进行紫外光辐照,得到了光照P(4VP-co-PMOXA)涂层,结果表明光照P(4VP-co-PMOXA)涂层的亲水性比辐照前有所降低,但其亲水性明显优于光照PMOXA-b-P4VP共聚物涂层,表明光照P(4VP-co-PMOXA)涂层表面曝露的PMOXA链段较多。聚合物体系中P4VP的含量对涂层的稳定性有很大的影响:当P4VP含量较低时,涂层的交联程度相对较低,导致交联后的涂层的厚度较低,并且其稳定性也相对较差;当P4VP含量达到一定程度时,涂层达到了一定的交联程度,涂层厚度明显增大,并且涂层的稳定性随着P4VP含量的增加而提高。与未经修饰的裸片相比,光照P(4VP-co-PMOXA)涂层能明显降低BSA的吸附,并且随着涂层稳定性的提高,阻抗BSA吸附性能更好,当P(4VP-co-PMOXA)中[4VP]:[PMOXA]为3.70:1和7.88:1时,其形成的涂层能够阻抗99%以上BSA的吸附。

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