仿贻贝高强度抗菌两性离子聚电解质水凝胶的制备及性能研究.x课件

仿贻贝高强度抗菌两性离子聚电解质水凝胶的制备及性能研究水凝胶具有独特的三维网络结构,能够模拟细胞外基质环境,被广泛应用于生物医学领域。水凝胶作为植入体应用时,在植入或者伤口愈合过程中,容易发生细菌感染导致脓毒症,增加组织发病率同时会延长伤口愈合过程,最终导致植入失败。抗菌水凝胶由于其抗菌特性,在组织修复工程具有广泛的应用前景。但是,力学性能差、缺乏细胞亲和性等缺点限制了其应用。因此,开发兼具有固有抗菌特性、优异的细胞亲和性以及良好的力学性能的水凝胶一直是人们面临的挑战。基于仿贻贝促细胞粘附机理和阳离子季铵盐的抗菌特性,结合水凝胶增强机制,本论文设计并制备了一种具有优异的力学强度、回复性、自愈合性能、良好的细胞粘附性和抗菌性能的仿贻贝两性离子聚电解质水凝胶。研究了水凝胶的结构-性能关系,阐明了水凝胶增强机理,探究了不同组分对水凝胶细胞亲和性的影响,揭示了水凝胶抗菌作用方式,并将这种水凝胶成功应用于皮肤组织的修复与再生。主要研究内容分为以下两个部分:首先,采用一锅法制备仿贻贝两性离子聚电解质水凝胶:通过自由基聚合法,使仿贻贝单体甲基丙烯酸酐改性多巴胺(MADA)、阴离子单体丙烯酸(AA)和阳离子单体甲基丙烯酸N,N-二甲基氨基乙酯DMAEMA)在改性天然高分子季铵化壳聚糖(QCS)溶液中聚合,形成超强两性离子聚电解质(AMD-QCS)水凝胶。在水凝胶形成过程中,AA、MADA和DMAEMA聚合成一种同时具有正负电荷基团和仿贻贝官能团的三元无规共聚物(AMD)。用AMD作为水凝胶的主体网络,改性天然高分子QCS以互穿的方式掺入主体网络中,形成互穿网络结构。这种互穿网络的交联方式为物理-化学混合交联:水凝胶的主体网络AMD以化学方式交联形成共价键,起着化学交联的作用;AMD内部由于正负电荷基团和仿贻贝基团的存在,形成静电作用、氢键和π键等非共价物理交联,同时AMD与QCS之间也会形成高密度的静电作用和氢键。这些非共价作用是动态可逆的物理作用,能在断裂后重新形成,有效实现能量耗散,增强水凝胶的力学强度,同时能实现自愈合。互穿网络结构和物理-化学混合交联方式协同增强了水凝胶的力学性能。力学实验结果表明,MADA和QCS可以协同增强水凝胶的力学性能,同时MADA能改善水凝胶的回复性。这可能是由于MADA能调控AMD的分子结构和电荷分布,从而改善水凝胶的回复性。溶胀实验结果表明,该水凝胶具有良好的溶胀稳定性,在去离子水、人工海水以及多种不同例子溶液中基本不发生溶胀。表皮生长因子(EGF)释放实验结果表明,该水凝胶能实现生长因子的缓慢释放。其次,通过体外细胞和细菌实验以及体内动物实验,对水凝胶的细胞相容性、抗菌性、组织修复等多方面进行了生物学评价。体外细胞实验结果表明,由于MADA的存在,AMD-QCS水凝胶能促进细胞粘附性,有利于细胞铺展和增殖。体外抗菌实验结果表明,该水凝胶对大肠杆菌和表面葡萄球菌均具有良好的抗菌性;体内抗菌实验结果表明,该水凝胶在体内环境下也能保持良好的抗菌性,并且未发现异物植入所导致的炎症,具有良好的生物相容性。这是由于DMAEMA和QCS具有大量带正电基团。MADA也促进了细菌细胞壁与正电荷基团的结合,改善了水凝胶的抗菌效力。因此,MADA与QCS协同增强了水凝胶的抗菌性。皮肤修复实验结果表明该水凝胶能作为皮肤敷料,促进皮肤组织修复与再生。综上,该仿贻贝两性离子聚电解质水凝胶同时兼具良好