（材料学专业论文）香菇多糖及其衍生物对医用高分子材料表面修饰的研究.pdf

分类号 u d c 密 级 学校代码! q 垒皇z 劣j 凄程歹大署 学位论文 题目叠夔垒趋厦甚堑生物盟医旦高盆壬趑抖塞直修笪的砑究 英文 s u r f a c em o d i f i c a t i o no fm e d i c a lp o l y m e rm a t e r i a l s 题目坠y ! 曼旦鱼望垒望垦望鱼i ! 曼亟星煎垦鱼y 曼墨 研究生姓名然搓亟 。姓名王茎蝰 职称副塾援学位墁 指导教师。一 单位名称一挝魁堂瞳壶盆壬墓 邮编垒圣q q z q 申请学位级别亟 学科专业名称趑抖堂 一 论文提交日期 2 0 11 0 4 论文答辩日期 学位授予单位武这堡王太堂学位授予日期 2 011 0 5 2 0 11 0 6 答辩委员会主席 圣盛! 丑尘 评阅人昱蚀岿 韭壑地 2 011 年0 5 月 独创性声明 1 1 1 1 111 11 111 1t i l l l1 1iil y 18 8 0 0 3 2 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：生盛至函日期：出l ：盗 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：如天徊导师( 签名) 日期 中文摘要 生物医用高分子材料是一类对生物体组织进行修复、替代与再生的功能高分 子材料，与人类生命健康密切相关。生物医用高分子材料的表面性能和生物相容 性对材料的应用具有十分重要的影响。目前，为了提高生物医用材料的表面性能 和生物相容性，对材料进行表面修饰是最直接和有效的方法。 本研究首先从香菇子实体中提取香菇多糖，然后对香菇多糖进行衍生化修 饰，再将香菇多糖及其衍生物固定在生物医用高分子材料的表面，研究了采用不 同的表面修饰方法固定香菇多糖及其衍生物，并对被修饰材料的表面性能和生物 性能进行了表征和分析，具体如下： 研究了采用光化学修饰方法在聚氨酯表面固定香菇多糖，首先制备了具有光 反应活性的香菇多糖，再利用光化学反应将光反应活性香菇多糖固定在聚氨酯基 材表面。测试结果表明，修饰以后的聚氨酯亲水性明显提高；l 9 2 9 小鼠成纤维 细胞在香菇多糖修饰的聚氨酯材料表面生长良好，被修饰材料的细胞相容性得到 一定程度的改善；溶血率测试以及体外血栓称重测试表明修饰后的聚氨酯材料血 液相容性得到改善；抗菌活性测试结果显示，经过香菇多糖修饰的聚氨酯材料表 面具有明显的抑制大肠杆菌的抗菌生物活性。 研究了采用层层自组装与光化学修饰方法相结合在聚氨酯材料表面固定香 菇多糖硫酸酯，首先合成出光反应活性的叠氮壳聚糖，然后将叠氮壳聚糖与香菇 多糖硫酸酯进行层层白组装，再通过光化学反应对表面自组装层进行交联。测试 结果表明，经过层层自组装与光化学表面修饰后的聚氨酯材料表面的亲水性提 高，修饰后的聚氨酯材料对大肠杆菌的抑制作用提高了4 9 1 ；溶血率测试以及 静态血小板黏附结果说明修饰后的聚氨酯材料的血液相容性得到提高。 研究了采用层层自组装技术，在交联壳聚糖基材表面固定香菇多糖硫酸酯， 首先制备交联壳聚糖基材，然后利用层层自组装技术将香菇多糖硫酸酯固定到壳 聚糖基材表面。测试结果表明，经过修饰后的壳聚糖基材表面水接触角显著下降， 材料表面的亲水性提高；溶血试验结果表明经过修饰后的材料表面血液相容性得 到了一定程度的提高：并且，经过层层自组装修饰后的材料对大肠杆菌显示出了 十分优异的抑制效果，其抑菌率达到1 0 0 。 本研究利用光化学修饰方法以及层层自组装技术将香菇多糖及其衍生物固 定到医用高分子材料表面，研究了修饰前后材料表面性能的变化。这些研究工作 将对真菌多糖及其衍生物进行医用高分子材料进行表面修饰的研究，以及构筑具 有特殊生物活性的新型多功能生物医用高分子材料提供一种有效的途径。 关键词：香菇多糖，医用高分子材料，光化学修饰，层层自组装，生物相容性 i a b s t r a c t p o l y m e r i cb i o m a t e r i a l sh a v eb e e nw i d e l yu s e do nr e p a r a t i o n ，r e p l a c e m e n ta n dr e g e n e r a t i o n o fb i o l o g i c a lo r g a n i s m w h i c hd i r e c t l yr e l a t ew i t hh u m a nh e a l t h t h es u r f a c ep r o p e r t i e sa n d b i o c o m p a t i b i l i t yo fp o l y m e r i cb i o m a t e r i a l sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei ni t sa p p l i c a t i o n s s u r f a c e m o d i f i c a t i o ni st h em o s td i r e c ta n de f f e c t i v em e t h o dt oi m p r o v et h es u r f a c ep r o p e r t i e sa n d b i o c o m p a t i b i l i t yo fb i o m a t e r i a l s i nt h i sw o r k ，l e n t i n a nw a se x t r a c t e df i o ml e n t i n u se d o d e s ( s h i i t a k em u s h r o o m ) ，a n di t s d e r i v a t i v e sw e r ep r e p a r e d t h e n ，l e n t i n a na n di t sd e r i v a t i v e sw e r ei m m o b i l i z e do nt h es u r f a c e so f p o l y m e r i c b i o m a t e r i a lb yd i f f e r e n tm e t h o d s t h es u r f a c ep r o p e r t i e s b i o c o m p a t i b i l i t ya n d b i o a c t i v i t i e so ft h em o d i f i e dm a t e r i a l sw e r es t u d i e d n e p h o t o r e a c t i v el e n t i n a nw a ss y n t h e s i z e da tf a s t a n dt h e ni m m o b i l i z e do np o l y u r e t h a n e s u r f a c e sb yp h o t o c h e m i c a lr e a c t i o n n ea n a l y t i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eh y d r o p h i l i c i t ya n d c y t o c o m p a t i b i l i t yo fp o l y u r e t h a n es u r f a c e sh a v eb e e ni m p r o v e da f t e rm o d i f i c a t i o n t h er e s u l t so f h e m o l y s i st e s ta n dt h r o m b u st e s td e m o n s t r a t et h a tt h eb l o o dc o m p a t i b i l i t yh a sa l s ob e e ni r h p r o v e d a f t e rm o d i f i c a t i o n i na d d i t i o n ，t h em o d i f i e ds u r f a c e si n d i c a t ec l e a ra n t i b a c t e r i a la c t i v i t ya g a i n s t e s c h e r i c h i ac o l i a f t e rt h ep r e p a r a t i o no fa z i d o - c h i t o s a n ，l e n t i n a ns u l f a t ea n da z i d o - c h i t o s a nw e r ea l t e r n a t i v e l y d e p o s i t e do np o l y u r e t h a n es u r f a c e st h r o u g hl a y e r - b y l a y e rs e l f - a s s e m b l yt e c h n i q u e t h e n ，t h e s e l f - a s s e m b l e dm u l t i l a y e r so nt h es u r f a c ew e r ec r o s s l i n k e db yp h o t o c h e m i c a lr e a c t i o n 砧e a n a l y t i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h em o d i f i e ds u r f a c eb e c a m em o r eh y d r o p h i l i c 1 1 1 en u m b e ro fv i a b l e b a c t e r i ao ns e l f - a s s e m b l e ds u r f a c e sd e c r e a s e5 7 c o m p a r e dt on a t i v ep o l y u r e t h a n e m o r e o v e r , t h e b l o o dc o m p a t i b i l i t yh a sb e e ni m p r o v e da f t e rs u r f a c em o d i f i c a t i o n t h ec r o s s l i n k e dc h i t o s a ns u b s t r a t ew e r ep r e p a r e df i r s t l y , a n dl e n t i n a ns u l f a t ea n dc h i t o s a n w e r ea l t e r n a t i v e l yd e p o s i t e do nt h es u r f a c et h r o u g hl a y e r - b y l a y e rs e l f - a s s e m b l yt e c h n i q u e n l e r e s u l t si n d i c a t et h a tt h eh y d r o p h i l i c i t ya n db l o o dc o m p a t i b i l i t yo ft h em o d i f i e ds u r f a c eh a v eb e e n i m p r o v e d a tt h es a m et i m e ，t h em o d i f i e ds u r f a c e si n d i c a t ee x c e l l e n ta n t i b a c t e r i a la c t i v i t ya g a i n s t e s c h e r i c h i ac o l i t h i sw o r kp r o v i d e ss c i e n t i f i cd a t aa n dv a l u a b l ee x p e r i e n c e sf o rp r e p a r i n gb i o c o m p a t i b l e m a t e r i a l sw i t hm u l t i - f u n c t i o na n ds p e c i f i cb i o a c t i v i t y i ta l s oc a np r o v i d ea ne f f e c t i v em e t h o df o r t h ei m m o b i l i z a t i o no ff u n g a lp o l y s a c c h a r i d e sa n di t sd e r i v a t i v e so i lp o l y m e r i cb i o m a t e r i a l s k e yw o r d s ：l e n t i n a n ，p o l y m e r i cb i o m a t e r i a l ，p h o t o c h e m i c a lm o d i f i c a t i o n ，l a y e r - b y - l a y e r s e l f - a s s e m b l yt e c h n i q u e ，b i o c o m p a t i b i l i t y i i 目录 中文摘要i l 】i i s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 生物医用高分子材料。1 1 1 1 生物医用高分子材料的研究现状1 1 1 2 生物医用高分子材料的特性和要求2 1 1 3 生物医用高分子材料的种类2 1 2 生物医用材料的表面修饰。3 1 2 1 生物医用材料修饰的目的及意义3 1 2 2 生物医用材料的表面修饰方法3 1 3 天然高分子生物多糖在表面改性与修饰中的应用9 1 3 1 天然高分子概述9 1 3 2 生物多糖9 1 3 3 生物多糖在表面修饰中的应用1 2 1 4 本课题立题的目的和意义1 2 1 5 本课题的研究内容及设计思路1 3 第2 章采用光化学修饰方法在聚氨酯材料表面固定香菇多糖1 5 2 1 引言15 2 2 实验部分17 2 2 1 实验药品和仪器设备。1 7 2 2 2 香菇多糖的制备。l8 2 2 3 聚氨酯材料的表面修饰。1 9 2 2 4 表征与测试2 0 2 3 结果与讨论2 2 2 3 1 香菇多糖对聚氨酯材料的表面光化学修饰2 2 2 3 2 被修饰聚氨酯材料的表面性能2 4 2 4 本章小结2 7 第3 章层层自组装与光化学修饰方法相结合在聚氨酯材料表面固定香菇多糖衍 生物。2 8 i i i 3 1 引言= 2 8 3 2 实验部分3 0 3 2 1 实验原料和仪器设备3 0 3 2 2 样品的制备3 0 3 2 3 测试与表征3 2 3 3 结果与讨论3 3 3 3 1 叠氮壳聚糖的制备3 3 3 3 2 被修饰聚氨酯材料的表面性能3 5 3 3 3 聚氨酯材料修饰前后的表面生物性能3 7 3 4 本章小结3 8 第4 章采用层层自组装技术在交联壳聚糖基材表面固定香菇多糖硫酸酯4 0 4 1 引言4 0 4 2 实验部分4 1 4 2 1 实验原料和仪器设备4 1 4 2 2 样品的制备。4 1 4 2 3 测试与表征。4 2 4 3 结果与讨论4 3 4 3 1 交联壳聚糖基材层层自组装修饰前后的表面性能4 3 4 3 2 交联壳聚糖基材层层自组装修饰前后的表面生物性能4 6 4 4 本章小结4 7 第5 章结论。4 8 参考文献4 9 附录：硕士期间发表的文章 致谢。 i v 5 5 5 6 武汉理j ：大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 生物医用高分子材料 生物医用高分子材料是能直接与生理系统接触并发生作用，用以诊断、治疗、 修复或替换机体中的组织、器官或增进其功能的高分子材料1 1 j 。生物医用高分子 材料可以对生物体组织进行修复或天然替代与再生，可以通过聚合合成的方法以 及从天然的环境中提取获得，是生物医用材料的重要组成之一。生物医用高分子 材料按照用途可以分为人体功能替代或修复用高分子材料、药用高分子材料、高 分子医疗器材及制品等【2 】。生物医用高分子材料是与人类生命健康密切相关的， 对人体组织、体液不产生不良反应的材料。 生物医用高分子材料是特种功能材料中的一员，是具有知识密集、技术密集、 高附加值的材料【3 】。同时医用高分子材料也是- - 1 7 多学科交叉的边缘学科，它涉 及材料学、组织工程学、医学、物理、化学以及临床医学等诸多学科领域。医用 高分子材料耐生物老化性强，长期植入具有良好的生物稳定性和物理、力学性能， 易加工成型，原料易得，消毒灭菌简便，已成为生物医用材料中用途最广、用量 最大的品种，近年来需求量增长十分迅速。 1 1 1 生物医用高分子材料的研究现状 生物材料的发展历史悠久，早在公元前3 5 0 0 年，人们就利用天然的物质和 材料治疗疾病，如中国人和古埃及人利用棉花纤维、马鬃做缝合线，用柳树枝和 象牙修复失牙；古印第安人用木片修补受伤的颅骨【4 j 。到了1 6 世纪，人们开始 用金属或陶瓷做齿根。1 9 5 1 年，天然橡胶的硫化技术问世，由天然高分子硬橡 木制作的人工牙托和颅骨开始用于临床。尽管生物医用材料的发展可以追溯到几 千年前，但是取得实质性进展还是在2 0 世纪2 0 年代。进入2 0 世纪，由于高分 子科学的迅速发展，大量新的合成高分子材料不断涌现，高分子科学的发展为其 在科学领域的应用创造了条件【5 】。1 9 3 6 年，在有机玻璃聚甲基丙烯酸甲酯的合成 后，很快被应用到牙体缺损的修复。随着研究的深入，其性能得到了不断的提高。 2 0 世纪5 0 年代，有机硅聚合物开始用于医学领域，使得人工器官的应用范围扩 大，包括器官替代和整形等许多方面。而在7 0 年代以后，医用高分子材料迅速 发展，逐渐成为生物材料的研究领域中最活跃的一部分。许多重要的医疗器械和 器材的研制，如人工心脏瓣膜、人工血管、心脏起搏器、人工。肾、角膜等，有力 的促进了临床医学的发展，8 0 年代基本形成了一个崭新的生物材料产业。 生物医用材料发展和进步的源动力是人类生命健康的需要，人体绝大部分组 武汉理：r 大学硕+ 学位论文 织和器官都是由高分子材料构成的。因此医用高分子材料凭借其独特的功效和特 性，成为生物材料研究的热点。 据相关报道，世界上已经使用的医用高分子材料有近百余个品种，约2 0 0 0 多种制品，医用塑料年消售额达3 1 亿美元。西方发达国家消耗生物医用材料年 增长率约为1 0 1 5 ，而我国也以2 0 左右的速率迅速增长j 。在英国，生物 材料和技术市场达3 6 亿欧元【7 】；1 9 9 7 年，德国投入约3 3 亿马克的研究经费用于 生物技术的开发【8 】；在日本，政府投资2 万亿日元用于生物技术领域的研究【引。 我国医用高分子材料的研发始于2 0 世纪7 0 年代末期，在国家科技攻关项目的大 力支持下，形成了有一定规模的生物医用高分子材料及其制品的产业，取得了一 些显著的成绩。随着经济的发展、人民生活水平的提高以及人口老龄化程度的加 剧，我国对生物材料的需求不断增加，因此必须进一步加强生物材料的研究与开 发。 1 1 2 生物医用高分子材料的特性和要求 生物医用高分子材料虽然应用广泛，但是作为生物材料的一种，它具有特殊 的性能和特点。生物医用高分子材料在使用的过程中必然会与生理系统( 组织、 血液、细胞等) 发生作用，因此也决定了其性能与生命科学和医学密切相关。对 于作为植入人体的高分子生物材料来说，必须满足体内复杂而又严格的要求，主 要包括以下几个方面：( 1 ) 生物功能性，即能够对生物体进行疾病诊断、组织替 换或修复；( 2 ) 生物相容性，即材料引起适当的机体反应的能力，是区别于其他 高技术材料的最重要的特征，包括不引起生物体组织、血液等不良反应；( 3 ) 化 学稳定性，即耐生物老化性或可生物降解性；( 4 ) 材料无毒，不致畸、不致癌； ( 5 ) 合适的物理机械性能，易加工成型。以上几项中，生物相容性是最难满足 的，但却是最重要的，是生物医用高分子材料能否成功应用于人体的关键。生物 相容性主要包括组织相容性和血液相容性。组织相容性要求医用高分子材料植入 体内后与组织、细胞接触无任何不良反应。血液相容性要求高分子材料植入以后， 不引起血液凝聚，不发生溶血、形成血栓，不引起血液中各种成分性质的改变等。 1 1 3 生物医用高分子材料的种类 目前广泛研究和使用的生物医用高分子材料包括天然高分子材料和化学合 成高分子材料。天然高分子材料如纤维素、甲壳素、海藻酸盐、壳聚糖、明胶、 胶原等，其生物相容性良好，高分子本身无毒，可降解成无毒的小分子并被排除 体外，力学性能好，利于成型，主要用于药物释放载体、组织诱导再生和组织工 程等。化学合成高分子材料，它们在复杂的生物环境中能长期保持稳定，不发生 2 武汉理f 大学硕+ 学位论文 降解、交联或物理磨损，对机体也不产生明显的毒副作用，并且具有良好的物理 性能，如聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚硅氧烷、聚乙烯醇等，主要用于药物释放， 人体软组织修复等领域【10 1 。 1 2 生物医用材料的表面修饰 1 2 1 生物医用材料修饰的目的及意义 目前使用的各种生物医用材料，没有一种能够完全满足临床使用的各项要 求。提高生物材料的性能有两个途径，一是提高材料本体的性能，二是采用表面 处理的方法对生物医用材料进行表面修饰。当生物材料植入到人体以后，最先同 时最直接与组织、细胞相接触的是材料的表面，材料表面会很快被各种蛋白所覆 盖，形成一层蛋白吸附层，引发一系列的生化反应。因此，提高生物医用材料的 生物相容性，采用表面修饰的方法是最直接也是最有效的。生物医用材料的表面 成分、形貌、亲疏水性、表面电荷等性能都会影响材料与生物体之间的相互作用， 通过物理、化学、生物等手段改善医用材料的表面性质，就可以提高医用材料与 人体的生物相容性。通过生物化处理和分子设计，使材料表面的结构具有有序性； 以生物大分子中特定的官能团为依据，在生物医用材料表面，尤其是高分子材料 表面引入相应的官能团，把材料的无规则吸附变成选择性吸附；通过模仿细胞膜 结构的表面白组装技术，赋予材料表面适宜细胞生长的拓扑结构；通过种植、培 养血管内皮细胞，提高材料表面的血液相容性。 1 2 2 生物医用材料的表面修饰方法 尽管一些生物医用材料具有良好的机械性能和化学稳定性，被广泛应用于人 造器官、组织工程、外科整形以及药物控释等领域，然而大多数的医用高分子材 料如聚乳酸( p l a ) 、聚氨酯( p u ) 、聚己内酯( p c l ) 等表面都是生物惰性的， 并不具有较好的细胞相容性，因此有必要对这些生物医用材料进行表面改性。目 前，常用的生物材料表面改性技术主要有物理吸附或涂层，化学接枝，等离子体、 辉光放电和电晕放电，离子束注入技术，光化学修饰法，自组装技术等。 1 2 2 1 物理吸附或涂层 物理吸附或涂层是最为简便的生物材料表面改性技术，也十分方便有效，其 关键是要保持涂层在生物材料表面的稳定性。在生物惰性的医用材料表面涂覆一 层具有良好细胞相容性的材料，可以使材料具有促进细胞生长和代谢的活性。 q u i r k 等1 1 1 将含有r g d 序列的多肽链段g r g d s 接枝在聚赖氨酸上，再利用聚 3 武汉理t 大学硕十学位论文 赖氨酸在聚乳酸( p l a ) 表面的吸附来实现r g d 在聚乳酸表面的固定，从而提 高聚乳酸表面对细胞的黏附能力。c h e n 等【l2 j 将多孔支架和胶原溶液一起抽真空， 然后释放负压，从而使得胶原溶液进入多孔支架内部，干燥以后就形成了胶原在 多孔支架中的涂层。马祖伟等【l3 】利用类似的方法将i 型胶原吸附到p l l a 多孔支 架内部，胶原涂层被物理限定在球状的内表面上，因此具有一定的稳定性。细胞 培养实验表明，软骨细胞在胶原涂层的p l l a 多孔支架内部铺展较好。朱慧光等 【1 4 】将海藻酸钠及其衍生物溶解在水和丙酮的混合溶液中，将聚乳酸膜片浸入上 述溶液5 m i n ，取出再浸入氯化钙的水溶液中，这样在聚乳酸的表面就形成了一 层不能被水溶解的凝胶层，细胞试验表明改性后的材料具有促进软骨细胞黏附的 生长的作用。h o u 等【l5 】利用物理截留的方法对海藻酸盐纤维进行表面改性，将海 藻酸盐纤维放入钠离子富足的氯化钠和氯化钙的混合水溶液中，由于钠离子与纤 维中起交联作用的钙离子发生离子交换，使得海藻酸盐纤维溶胀，这样接有多肽 序列的聚赖氨酸( p l l g r g d s ) 分子就能够扩散到纤维中。再将溶胀的纤维置 于含有钡离子的水溶液中，使其重新交联。经过p l l g r g d s 改性后的纤维能够 促进3 t 3 细胞的黏附和生长。这种方法，并不需要化学交联剂或有机溶剂，对 纤维表面形态基本无影响。 1 2 2 2 化学接枝 化学接枝技术也是一种广泛应用于生物材料表面改性的技术，有表面接枝聚 合、表面腐蚀和可控胺解等方法。其中表面接枝聚合是利用具有特殊官能团的单 体在材料表面发生接枝聚合反应，从而将这种官能团固定在材料表面，达到改善 材料生物相容性的目的。w a n g 等【l6 】利用臭氧处理聚丙烯微滤膜，在其表面引入 过氧基团，然后使亲水单体甲基丙烯酸羟乙酯( h e m a ) 在表面接枝聚合，提高 微滤膜的亲水性。d a s g u p t a 等【1 7 】利用臭氧氧化聚乙烯和聚丙烯粉末，通过在材 料表面引入过氧基团，使其引发丙烯酰胺等亲水单体的聚合，改善聚合物表面的 亲水性。 由于酸、碱的腐蚀性，许多聚合物可以在酸或者碱中进行腐蚀以提高其表面 的亲水性能。高长有等【1 8 】利用浓硫酸氧化聚苯乙烯( p s ) ，使其表面产生含有氧 和硫的基团，从而提高聚苯乙烯的亲水性；显著改善了内皮细胞的黏附能力。对 于易水解的聚合物材料，如p m m a 、p e t 、p l l a 、p c l 等，可以使其在碱液中 适度水解，让其表面产生一定量的羧基。姚康德等 1 9 1 采用水解的方法在聚乳酸 的表面引入羧基，再利用水溶性的碳二亚胺w s c 作为脱水剂，在聚乳酸的表面 固定蛋白质分子。 可控胺解是以二元胺或者多元胺改性聚酯类的生物材料，利用二元胺中的一 4 武汉理一i ：大学硕士学位论文 个氨基与聚酯类聚合物上的酯基发生化学反应生成酰胺，同时保留剩余氨基的活 性，为进一步与其他生物分子反应提供结合位点。竺亚斌等将聚己内酯p c l 浸 入己二胺的溶液中，将胺解后的膜浸入戊二醛溶液中，使醛基与膜上的氨基反应， 再使含有醛基的p c l 膜与壳聚糖反应，将这些生物大分子固定在表面，改性后 p c l 表面细胞的黏附、铺展、增殖性能得到了提耐2 0 1 。 1 2 2 3 等离子体、辉光放电、电晕放电以及离子束注入技术 利用等离子体、辉光放电、电晕放电处理生物材料表面，是目前应用较为广 泛的生物医用材料改性技术。通过等离子体或放电处理，使得一些含氮、含氧和 含硫的极性基团引入化学惰性的材料表面，以提高材料表面的生物相容性。通常 采用的比较多的反应气体包括空气、含氮化合物、含硫化合物等，而影响等离子 体、辉光放电、电晕放电技术改性效果的主要因素包括：气体的成分、处理时间、 气体的流速以及等离子体功率等【z 。 通常高分子材料表面改性采用的是低温等离子体，经过低温等离子体处理的 聚合物表面能够发生多种物理和化学变化，形成致密的交联层或引入极性基团， 从而改善聚合物材料的亲水性、生物相容性等。赵剑豪等【2 2 】利用氨气低温等离 子体处理聚乳酸，使其表面引入氨基，然后以戊二醛为交联剂，通过交联反应接 枝胶原蛋白，获得的聚乳酸表面的细胞相容性显著提高，促进了细胞在聚乳酸材 料表面的粘附和生长。z h u 等【2 3 】采用心低温等离子体处理p e t 表面并接枝丙烯 酸，再分别接枝上壳聚糖和o 羧甲基壳聚糖，改性后p e t 表面的亲水性显著提 高，而接枝了o 羧甲基壳聚糖的p e t 表面粘附的血小板和纤维蛋白原少于接枝 了壳聚糖的表面，具有更好的抗凝血性能。 将具有一定能量密度和密度的离子束射向材料表面，可改变材料的化学组 成。离子束注入技术可以在聚合物表面引入特殊的化学官能团，进而改变聚合物 的表面自由能、亲水性以及生物相容性等1 2 4 - - 2 6 。整个改性过程是需要在很高的 真空环境下进行的，通过改变粒子种类、能量、离子束流密度等条件可以对基材 产生不同的改性效果。离子束注入技术在生物材料表面方面具有许多优点，其最 突出的优点就是可以有选择性的对基材进行表面改性，而不影响材料的本体性 质f 注入离子在基体中与基体原子混合，无明显界面，不会像镀层或涂层那样发 生脱落现象。离子束注入技术一般在常温( 或低温) 下及真空中进行，整个过程 是洁净的，没有环境污染。被离子束注入的材料不会产生变形，其表面不会被氧 化，能保持原有的尺寸精度和表面粗糙度。 s a t o 等【2 7 】采用银负离子束改性聚苯乙烯p s 表面，在聚合物表面发生降解， 提高基材的亲水性和细胞相容性。k h a n g 等【2 8 】利用金原子溅射几种聚合物表面， 5 武汉理。1 ：大学硕七学位论文 在聚合物表面引入金元素，聚合物材料的亲水性显著提高，经过改性后的材料更 有利于成纤维细胞的黏附和增殖。 1 2 2 4 光化学修饰法 光化学修饰法是2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初发展起来的一种用于医用高分 子材料表面改性的方法。光化学修饰法是利用紫外或可见区域( 3 0 0 , - - - - 8 0 0 n m ) 光线，将具有特殊性质的组分或生物分子固定到材料表面的方法，其原理是利用 含有光活性基团的化学组分将各种类型的化合物或生物分子偶联到材料表面，以 达到改性表面的目的【2 9 1 。目前应用的比较多的方法是将目的分子与光偶联剂上 的光活性基团进行化学反应，从而形成带有光反应活性的目的分子的衍生物，然 后利用光化学反应将目的分子共价偶联到高分子材料表面。 在光化学修饰法中使用的较多的光偶联剂主要包括芳香叠氮类和二苯酮类， 它们的结构如图1 所示，图中r 表示热活性基团。芳香叠氮类化合物在经紫外 光照射后发生不可逆光解，生成氮气和高反应活性的氮烯中间物。高活性的氮烯 不仅能与c = c 双键化合物发生加成反应，形成氮杂环丙烷类化合物，而且能够 直接插入c h 键之间形成仲胺，从而使得改性分子共价连结到高分子材料表面 上【3 0 】。当芳环上含有吸电子的基团，如硝基，就能使光解反应由短波长的紫外 光区域移至可见光区域，这样就可以避免生物分子因紫外光能够过高受到破坏。 二苯酮类化合物在受到紫外光的激发作用时，首先会形成单线态，随后在足够长 的寿命期内，经系统内部的交变作用转变为三线态。三线态激发态具有从聚合物 表面吸收氢原子嵌入c h 键的能力，经过分解产生一对自由基，形成新的c c 键。该偶联过程是利用二苯酮同疏水聚合物材料之间的强疏水相互作用进行的。 与芳香叠氮类化合物不同，二苯酮类化合物的激发态是一个可逆的过程，如果不 发生偶联，激发态的二苯酮会重新回到基态。但是二苯酮类化合物由于含有两个 苯环，位阻较大，不利于反应，而且具有较强的疏水性等缺附3 l 】。 r n 0 2 o i i cr n 3 ( a )( b ) 图1 1 光偶联剂的结构 与其它表面改性方法相比，光化学修饰法具有许多特点：既能获得理想的表 面性能，又不影响基材的本体性能；不需要复杂的仪器和设备，操作简便，反应 6 武汉理r 大学硕七学位论文 迅速，成本低；适用材料的范围广，可适用于几乎所有医用高分子材料【3 2 1 。并 且，对任何目的分子( 如亲水性或者疏水性的聚合物、多肽、酶、生长因子、蛋 白质以及其他生物大分子等) 均可通过反应使其衍变为带有光反应活性的衍生 物。用于光化学修饰的各种生物分子，不仅具有很好的稳定性，而且其生物活性 几乎不受影响。同时，光化学修饰法也可以适用于各种形状复杂的医用高分子材 料的表面改性。利用光学石英纤维引导紫外光，可以根据需要对材料表面的任意 部位按尺寸或区域加工，可制备满足不同临床需求的生物医用高分子材料。 利用光化学修饰法对生物医用高分子材料进行表面改性，可以提高医用高分 子材料的生物相容性。用光化学修饰法可以提高医用高分子材料或其装置表面的 润滑性，通过这种方法改性的聚合物材料表面摩擦系数大大降低，偶联层稳定性 好，k r i s t i n 等【3 3 】利用光化学修饰法改性的硅橡胶介入导管，在经1 0 次穿刺使用 以后，其表面摩擦系数仍然保持在0 0 5 以下。通过在医用高分子材料表面光固 定亲水性单体或聚合物，可以提高材料表面的润湿性。在硅橡胶表面用光化学修 饰法固定聚乙二醇( p e g ) 后，水接触角显著下降，表明修饰后材料表面的亲水 性和湿润性提高。而材料表面亲水性的提高又能够减少蛋白质和脂类的沉积，提 高材料的生物相容性。利用光化学修饰法将肝素类物质固定到医用高分子材料表 面，可以提高材料表面的抗凝血性，克服了物理吸附的不稳定性和共价键固定的 活泼性较低等缺点。用光化学修饰法在生物材料表面固定抗微生物肽、溶菌体、 抗菌素等，可以显著减少材料表面的细菌群落数，从而阻止细菌在材料表面的繁 育与感染。d u r a n 等【3 4 】的研究表明，用光化学修饰法共价将具有抗表皮葡萄球菌 的寡聚肽m a g a i n i n 固定到硅橡胶的表面后，细菌在材料表面的数目下降了9 8 。 光化学修饰法在生物医用高分子材料表面改性上具有广阔的应用前景，未来的研 究重点将是如何更广泛的在新型组织工程生物材料领域中加以开发和利用。 1 2 2 5 自组装技术 二十世纪二三十年代，l a n g m u i r 和b l o d g e t t 3 5 发现将两端具有亲水性端基和 疏水性端基的两亲性分子铺展在水面上，逐渐压缩其在水面上的占有面积，可形 成单分子层膜，并且能够将这种单层膜成功的转移到固体基材上制备多层膜，关 于这种多层膜的制备技术及其性质的研究引起了科学家们的广泛兴趣。为了克服 l b 膜的稳定性较差、受尺寸限制和制备需要昂贵的仪器等缺点，l u c y 等【3 6 】人利 用硅化学的基本理论，探索了通过化学吸附的方法制各多层膜的技术，但是通过 化学吸附或配位作用制备多层膜受限于特定的一类聚合物，比如只适用于含有硅 氧烷、磷酸基团或羧基的长链分子，而且制备完善的多层膜十分困难，限制了其 在生物医用材料表面改性上的应用。 7 武汉理工大学硕十学位论文 d e c h e r 等【3 7 】1 9 9 1 年在l b 膜的基础上，发展了一种利用带相反电荷的聚电 解质在液固界面通过静电作用交替沉积形成多层膜的技术。层层自组装技术制 备多层膜的方法是将表面带电荷的基材浸入到与基材所带电荷相反的聚电解质 溶液中，静置一段时间，取出基材，清洗除去表面吸附不牢的聚电解质，然后再 浸入到带有相反电荷的聚电解质溶液中，循环上述过程，就可以制得聚电解质多 层膜。由于这种方法具有许多优点，如：制备过程简单，不需要复杂和昂贵的仪 器设备；分子有序性更高，常温下多层膜对溶剂的稳定性好；制备条件较温和， 可在常温水溶液中进行，保证生物分子能够保持生物活性的天然构像；成膜物质 的选择范围广，可以是合成的聚电解质，也可以是蛋白质、多糖类、d n a 等生 物大分子；成膜不受基材的大小和形状限制，能够在复杂体型结构的材料上制备 薄膜；通过改变成膜分子的结构，可以很方便的控制膜层的有序程度、厚度以及 物理、化学等性质【3 8 枷】。因此，层层自组装技术广泛应用于生物医用高分子材 料领域的研究。 层层自组装技术温和的制备条件，对生物分子和基材的普适性，使其广泛用 于设计具有特殊功能的生物医用材剃4 卜4 2 1 。t h i e r r y 等【4 3 】通过层层自组装技术在 金属支架表面交替沉积透明质酸和壳聚糖。血小板黏附实验结果显示，经过自组 装修饰后的表面，金属支架上血小板的黏附量减少了3 8 ，抑制了血栓的形成。 d o n a l d 等【删采用带负电荷的海藻酸钠和带正电荷的聚赖氨酸交替自组装，在适 当p h 值下制备了层层自组装多层膜。得到的自组装多层膜具有聚阳离子和聚阴 离子缔合的水凝胶结构，不仅具有生物惰性，而且能够有效的隔离细胞外基质， 防止细胞的黏附，适用于外科手术后的组织黏连和愈合。s u n g 等【4 5 】采用聚丙烯 酰胺和弱聚电解质通过氢键组装制备多层膜，然后进行适当的热交联或者光交 联，得到在生理环境条件下稳定的多层膜。细胞实验的结果表明制备的多层膜具 有排斥成纤维细胞黏附的能力。谭庆刚等【4 6 】在不锈钢的表面首先吸附一层聚乙 烯亚胺使其带上正电荷，然后利用白蛋白和聚乙烯亚胺交替自组装形成多层膜。 体外血小板黏附实验结果表明经过自组装修饰后的不锈钢表面血液相容性显著 提高。l v o v 等【4 7 】利用层层自组装技术将谷氨酰胺酶和葡萄糖氧化酶固定在基材 表面，不仅能够有效保护蛋白质的二级结构不受到破坏，而且能够保持酶的活性。 r i c h e r t 等【4 8 】利用不同盐浓度下的透明质酸和壳聚糖进行层层自组装，研究了聚 电解质多层膜的抗菌性能。抗菌实验结果表明，在较高的盐浓度下组装1 0 个双 分子层聚电解质修饰的表面与未修饰的基材相比，细菌粘附量降低达8 0 。 b r y n d a 等【4 9 】通过控制自组装的p h 值，利用白蛋白在p h = 3 的条件下带正电荷， 制备了白蛋白和肝素的交替层层自组装多层膜。然后利用戊二醛进行交联，使得 层层自组装多层膜在人体生理p h 值保持稳定。当白蛋白为自组装多层膜的最外 武汉理，1 ：人学硕士学位论文 层时，能够有效减少纤维蛋白原、球蛋白和血小板的黏附，而当肝素为自组装多 层膜的最外层时，抗凝血因子i i i 的黏附显著增加。 1 3 天然高分子生物多糖在表面改性与修饰中的应用 1 3 1 天然高分子概述 二十世纪后期，石油化工行业以及基于石油产品的合成高分子材料得到迅猛 发展，广泛应用于包装、建材、日用品、建材、工业、农业等各个领域。现在世 界石油资源日益减少，同时，合成的高分子材料很难降解，造成环境污染的问题 越来越严重，使得传统的合成高分子工业的发展受到制约。动、植物体内富含有 机高分子，它们是取之不尽、用之不竭的可再生资源。而且，这些有机高分子废 弃后容易被自然界中的微生物分解成水、二氧化碳等小分子，属于环境友好材料。 因此，利用来自于动、植物的可再生的有机高分子作