（材料学专业论文）n乙烯基吡咯烷酮的表面引发聚合及其抗蛋白吸附研究.pdf

中文摘要 生物材料在植入体内的瞬间便会发生蛋白质在其表面的吸附，而材料表面 对蛋白质的非特异性吸附会导致一系列复杂的异体反应，如凝血、血小板激活、 补体激活、免疫排斥反应等。所以，制备出具有良好的抗非特异性蛋白质吸附性 能的材料，在生物医用材料领域具有重要意义。聚乙二醇( p e g ) 改性表面可以 有效排斥非特异性蛋白质吸附，但p e g 易氧化的性能使其在生物体内的长期应 用受到限制。 聚( n - 乙烯基吡咯烷酮) ( p v p ) 由于其良好的水溶性、化学稳定性、生物相 容性和生物惰性，而在表面改性中表现出独特的优势。运用传统的方法在材料表 面接枝p v p 以减少表面非特异性蛋白质吸附的研究已有相关文献报道，然而， 所采用的传统自由基聚合缺乏可控性，对p v p 的接枝密度和接枝链的长度与蛋 白质排斥行为的相关性还缺乏系统深入的认识。有少量研究表明能用原子转移自 由基聚合( a t r p ) 的方法在溶液中制备p v p ，所以本文进行了用a t r p 法将p v p 引入表面的研究，通过a t r p 方法可将接枝密度和接枝链长度可控的p v p 接枝 在材料表面，从而可有效的研究p v p 与蛋白质的相互作用，为具有优异生物相 容性材料表面的设计提供理论基础。 本课题以c u c l 5 ，7 ，7 ，1 2 ，1 4 ，1 4 _ 六甲基一1 ，4 ，8 ，1 1 一四氮杂环一十四烷为催化体 系、在l ，4 - 二氧六环和水的混合溶剂中成功实现了 l - 乙烯基吡咯烷酮单体在单 晶硅片表面的原子转移自由基聚合。采用椭圆偏振仪、水接触角仪和x 射线光 电子能谱仪对改性过程进行表征分析。用1 2 5 i 同位素标记蛋白质技术研究蛋白质 在改性表面的吸附情况，测试结果表明：与未改性硅表面相比，s i - p v p 6 0 表面 对纤维蛋白原( f g ) 、人血清白蛋白和溶菌酶的吸附值分别下降了7 5 ，9 3 和 8 1 ，p v p 接枝层可有效的排斥这三种蛋白质在材料表面的吸附，并且随着p v p 接枝层厚度的增加，f g 在材料表面的吸附量逐渐减少，当p v p 接枝层的厚度增 加到1 3 4 5r l l t l 后，蛋白质在其表面的吸附量不再随厚度改变。不同血浆浓度中 的f g 吸附测试结果显示，f g 的吸附随血浆浓度的增加而迅速增加，在其过程中 经历一最大值后下降。p v p 改性表面在1 0 0 血浆浓度中的f g 吸附值为1 0 n g c m 2 ，这一结果表明p v p 改性表面具有优异的抗非特异性蛋白质吸附的性能。 而w e s t e r n 免疫印迹也进一步表明，p v p 改性表面可以排斥大多数血浆蛋白质。 该研究为构筑生物相容性材料表面提供了一种新的途径。 关键词：聚( - 乙烯基吡咯烷酮) ，原子转移自由基聚合，蛋白质吸附 a b s t r a c t p r o t e i na d s o r p t i o ni st h ei n i t i a t i n ge v e n tt h a to c c u r sw h e nb i o m a t e r i a l sc o n t a c t b i o l o g i c a le n v i r o n m e n t n eu n c o n t r o l l e d n o n s p e c i f i ca d s o r p t i o no fp r o t e i n s o n t o b i o m a t e r i a l sm a yc a u s eac o m p l e xc a s c a d eo fh o s tr e s p o n s e s ，s u c ha sb l o o d c o a g u l a t i o n ，p l a t e l e ta c t i v a t i o n ，c o m p l e m e n ta c t i v a t i o na n di m m u n o l o g i c a lr e a c t i o n s s oi ti so fv i t a li m p o r t a n c et op r e p a r eb i o m a t e r i a l st h a tm i g h ti n h i b i to rp r e v e n t n o n - s p e c i f i cp r o t e i na d s o r p t i o n p o l y ( e t h y l e n eg l y c 0 1 ) ( p e g ) c a l le f f e c t i v e l y r e s i s t n o n s p e c i f i cp r o t e i na d s o r p t i o n ，w h i l ei t ss u s c e p t i b i l i t yt oo x i d a t i v ed a m a g er e d u c e s t h e i ru t i l i t yf o rl o n g - t e r ma p p l i c a t i o n si nl i v i n gb o d i e s p o l y ( n - v i n y l p y r r o l i d o n e ) ( p v p ) ，as y n t h e t i cp o l y m e r , h a sa t t r a c t e dc o n s i d e r a b l e i n t e r e s td u et oi t se x c e l l e n tw a t e rs o l u b i l i t y , b i o c o m p a t i b i l i t y , c h e m i c a ls t a b i l i t y , a n d b i o l o g i c a li n e r t n e s s a l t h o u g hg r a f t i n gp v po n t oas u r f a c ev i ac o n v e n t i o n a lf r e e r a d i c a lp o l y m e r i z a t i o ni sa c h i e v a b l e ，t h i sg r a f t i n gs t r a t e g yo f f e r sl i t t l ec o n t r o lo v e r g r a f td e n s i t ya n dc h a i nl e n g t h ，w h i c h a r eb e l i e v e dt ob et w ok e yp a r a m e t e r si n d e t e r m i n i n gp r o t e i n r e s i s t a n tb e h a v i o r s i - a t r pi sa “l i v i n g p o l y m e r i z a t i o nm e t h o d t h a th a sb e e ne x t e n s i v e l yi n v e s t i g a t e df o rg r a f t i n gp o l y m e r so n t os u r f a c e s i na c o n t r o l l e dm a n n e r , i n c l u d i n gg r a f td e n s i t y , c h a i nl e n g c h ，a n d c h e m i c a l c o m p o s i t i o n 1 1 1 ec o n t r o l l e d l i v i n g r a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n o fn v pi sd i f f i c u l t b e c a u s et h ep r o p a g a t i n gr a d i c a l sa r es or e a c t i v et h a tt h e yh a v eat e n d e n c yt ou n d e r g o v a r i o u ss i d er e a c t i o n sd u r i n gt h ep o l y m e r i z a t i o n t h e r ea r ef e wp u b l i c a t i o n sw h i c h w e r ec o n c e r n e dw i t ht h ea t o m t r a n s f e rr a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n ( a t r p ) o f n - v i n y l p y r r o l i d o n e ( n v p ) s oi no u rs t u d y , s u r f a c e sg r a f t e dw i t hp v p w a sp r e p a r e d b ys u r f a c e - i n i t i a t e da t o mt r a n s f e rr a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n ( s i - a t r p ) s o i no u rs t u d y , w e l l - c o n t r o l l e dp v p - g r a f t e ds i l i c o ns u r f a c e sw e r ep r e p a r e db y s i - a t r p w i t h 1 , 4 - d i o x a n e w a t e r m i x t u r e sa ss o l v e n t s a n d c u c l 5 ，7 ，7 ，12 ，14 ，14 - h e x a m e t h y l - l ，4 ，8 ，11 - t e t r a - a z a c y c l o - t e t r a d e c a n e a sac a t a l y s t s y s t e m e l l i p s o m e t r y , w a t e rc o n t a c ta n g l ea n dx - r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ( x p s ) w e r eu s e dt o c h a r a c t e r i z et h em o d i f i e ds u r f a c e s i nt h i ss t u d y , p r o t e i n a d s o r p t i o nw a sm e a s u r e dt op r o v i d ea ni n d i c a t i o no ft h ep r o t e i nr e s i s t a n c eo ft h e m o d i f i e ds u r f a c e s c o m p a r e dw i t hu n m o d i f i e ds i l i c o ns u r f a c e s ，s i - p v p 6 0r e d u c e d t h ea d s o r p t i o no ff i b r i n o g e n ( f g ) ，h u m a ns e r u ma l b u m i n ( h s a ) a n dl y s o z y r n eb y7 5 ， 9 3 ，8 1 ，r e s p e c t i v e l y 1 1 1 es u r f a c e sw i t hl a r g et h i c k n e s ss h o w ad r a m a t i cr e d u c t i o n l i i na l lo ft h ep r o t e i na d s o r p t i o n m o r e o v e r , t h ef ga d s o r p t i o nd e c r e a s e d g r a d u a l l yw i t h i n c r e a s i n gp v p t h i c k n e s s w h i l en os i g n i f i c a n tc h a n g ew a sf o u n dw h e np v p l a y e rw a s o v e rt h ec r i t i c a lt l l i c k n e s so f13 4 5n n l p v pm o d i f i e ds u r f a c e ss h o wa l m o s tc o m p l e t e s u p p r e s s i o n ( v e r s u sc o n t r o l s ) o ft h ev r o m a ne f f e c t ，w i t h4 0n g c m 2a d s o r b e d f i b r i n o g e na tt h ev r o m a np e a ka n d10n g c m 2a th i g h e l p l a s m ac o n c e n t r a t i o n t h e p r o t e i n se l u t e df r o mt h es u r f a c e sa f t e r p l a s m a c o n t a c tw e r e i n v e s t i g a t e db y s d s p a g ea n di m m u n o b l o t t i n ga n dt h er e s u l t si n d i c a t et h a tp v p m o d i f i e ds u r f a c e s c a l lr e p e lm o s to ft h ep l a s m ap r o t e i n s t h i sr e s e a r c ho f f e r san e wm e t h o df o rt h e p r e p a r a t i o no fb i o c o m p a t i b l en o n - b i o f o u l i n gs u r f a c e s k e y w o r d s ：p o l y ( a 乙- v i n y l p y r r o l i d o n e ) ，a t o mt r a n s f e rr a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n p r o t e i n a d s o r p t i o n i i i 独创性声明 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：垄i 塑：药日期：丝z ：! ! ：兰曼 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) ：纠d 、约导师( 签名) ：卜戥。日期三叩7 j f z 歹 武汉理丁大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 生物相容性与蛋白质吸附的关系 随着高分子科学、医学和生物学的迅速发展和相互渗透，生物医用高分子已 成为广泛研究和最具有应用前景的功能材料之一。近几十年来，合成医用高分子 材料已经在人工脏器、硬组织植入物及临床用医疗材料等方面获得日益广泛的应 用。它们为保障人体健康和促进人类文明发展发挥了巨大的作用。然而许多合成 高分子材料在与血液接触时，两者的界面会发生一系列复杂的相互作用，导致凝 血反应和血栓的形成，从而限制了合成高分子材料在体内的应用。因此，如何有 效改善医用高分子的生物相容性一直是生物医用材料领域的研究热点【l 】。 生物相容性是生物医用材料与人体之间相互作用产生各种复杂的生物、物 理、化学反应的一种概念。材料的生物相容性是生物医用材料研究设计中需要考 虑的首要问题，它主要包括力学相容性、组织相容性和血液相容性。力学相容性 指的是材料的力学性能与生物体的力学性能相互匹配的程度；组织相容性指的是 材料与生物体组织及体液接触后，组织不发生炎症、排拒、致癌、不发生生理反 应，材料不发生钙沉积等；血液相容性是指生物医用材料与血液接触时，不引起 凝血及血小板黏附和凝聚，没有破坏血液中有形成分的溶血现象。 由于血液与生物医用材料的相互作用是一个十分复杂的过程，涉及到材料的 表面物理结构、化学组成、血浆蛋白和血细胞与材料表面的相互作用以及血流动 力学等多种因素，所以很多作用过程尚不十分明确。但目前得到共识的是材料表 面与血液接触首先发生的是蛋白质的吸附和竞争吸附，蛋白质吸附层是血液与材 料进一步反应的主要场所，它所吸附的蛋白质的种类和数量决定着紧随其后的血 小板黏附和其它所有与血栓形成有关的反应。从以上蛋白吸附过程可知，材料表 面的特性决定了材料对血浆蛋白质的吸附行为，而材料表面对血浆蛋白质的吸附 行为在很大程度上又决定了材料的血液相容性。如果生物材料植入人体后，材料 表面对蛋白质产生非特异性吸附就会导致一系列复杂的异体反应，如凝血、补体 激活、血小板黏附和激活、免疫排斥反应等【2 】。所以，制备出具有良好的抗非特 异性蛋白质吸附性能的材料，在生物医用材料领域具有重要意义。 1 2 材料表面蛋白质吸附行为的影响因素 蛋白质在材料表面的吸附是受各种因素综合影响的复杂过程。这些因素主要 武汉理工大学硕+ 学位论文 包括蛋白质自身的结构与性质、材料表面的物理化学性质以及吸附介质溶液的性 质等【3 1 。 1 2 1 蛋白质结构与性质对其在表面吸附的影响 组成蛋白质的基本单位是氨基酸，氨基酸通过脱水缩合形成肽链。蛋白质是 由一条或多条多肽链组成的生物大分子，每一条多肽链有二十数百个氨基酸残 基；各种氨基酸残基按一定的顺序排列。蛋白质的大小对蛋白质在表面的吸附效 应会产生影响：较大的蛋白质分子易与界面发生相互作用，因为它们可以有更多 的位点与界面接触。与氨基酸一样，蛋白质分子也属于两性电解质。由于蛋白质 表面离子化侧链的存在，蛋白质带净电荷。对于每个蛋白质都存在一个p h 使它 的表面净电荷为零即等电点。蛋白分子在其等电点附近更容易在材料表面吸附 1 4 1 。这是因为在等电点处，蛋白质颗粒总净电荷为零，蛋白质分子内的静电排斥 力及分子间的相互作用处于最小状态，所以，蛋白质分子呈现最密集的结构，就 失去作为胶体的稳定条件，颗粒间相互碰撞而成为较大颗粒，此时蛋白质溶解度 最小，从而在表面积一定的表面上允许有最大的吸附量。 相关研究表吲孓引，当蛋白质吸附在材料的表面时，其构象和序列通常将发生 变化，因此蛋白质的构象和序列也是影响蛋白质吸附行为的重要因素。 1 2 2 溶液性质对蛋白质吸附行为的影响 在研究蛋白质在表面吸附行为的过程中，吸附介质溶液的温度、p h 、浓度、 离子强度以及蛋白质溶液与材料表面的接触时间都会对蛋白质吸附行为产生影 响，吸附介质的流动对蛋白质吸附也有影响，并且在表面形成不均匀的吸附层。 1 2 3 材料表面物理化学性质对蛋白质吸附的影响 1 2 3 1 材料表面拓扑结构 材料表面的拓扑结构可以认为是一种阶层结构，即从原子、分子结构到纳米、 微米结构，再到宏观结构。任何材料都不可避免地具有一定的表面拓扑结构。生 物材料的表面拓扑结构既包括非人为的无规结构，也包括人为的具有规则几何形 状的表面拓扑结构。材料表面的拓扑结构，比如粗糙度、孔隙率和孔隙大小等， 决定了与蛋白质分子作用的材料表面积大小，同时那些细微的孔结构特征对蛋白 质分子的位阻效应等可能影响蛋白吸附的种类和吸附量的多少。 1 2 3 2 材料表面的亲疏水性 材料表面的亲疏水性是影响蛋白质吸附、细胞黏附的一个重要因素。表面的 亲疏水性及自由能对血液成分的吸附、变性等有着密切的联系。材料表面的生 物相容性研究结果发现亲水性表面具有较好的血液相容性【l 】。之后，一系列实验 2 武汉理工大学硕士学位论文 证明：儿固定有亲水性聚合物的表面都具有排斥非特异性蛋白质吸附的能力。聚 乙二醇( p e g ) 由于其特殊的亲水性和柔性，被认为是排斥非特异性蛋白质吸附 和细胞黏附的最有效亲水性高分子。利用多种接枝方法在材料表面接枝不同形态 的p e g 而降低蛋白质和血小板在表面的吸附，从而大大提高材料的血液相容性 的研究已有大量的文献报道3 1 。 1 2 3 3 材料表面电荷 红细胞、白细胞和血小板表面、蛋白质等多种组分都带有负电荷，血管壁也 呈负电性( 1 2m v - 8 m v ) ，有人提出负电性的血管内壁与负电性的血液成分间 的静电排斥作用有利于抗凝血，所以血液在血管中流动，不易引起血栓形成。一 般认为，带有适量负电荷的材料表面可以阻止这些细胞和蛋白质的黏附，从而具 有较好的血液相容性。 1 2 3 4 材料表面生物活性物质 聚合物材料表面固定的生物活性物质对蛋白质吸附和细胞黏附有着重要的 影响。将生物活性物质固定在材料表面是减少非特异性蛋白质吸附及提高材料细 胞相容性的最有效手段之一。其中，用得最为广泛的是肝素类抗凝剂。有很多文 献报道：涂覆肝素的材料表面具有很好的抗凝血性能。对肝素化表面的抗凝机理 有很多不同的假说，某些学者认为肝素改性的表面对血浆蛋白的吸附会减少或只 是选择性吸附血浆蛋白，同时还可以保持这些蛋白质的天然构象【1 牛1 5 】。而其他研 究者很多的研究表明，肝素化表面的抗血栓性主要还是源于肝素能催化抗凝血因 子i i i ( a t i i i ) 和凝血因子的结合 1 6 】。 1 3 抗非特异性蛋白质吸附材料表面的构建一表面改性 生物材料在植入体内的瞬间便会发生蛋白质在其表面的吸附，而材料表面的 物理化学性质对蛋白质吸附又有着十分重要的影响，因此对材料表面进行改性是 构建抗非特异性蛋白质吸附材料表面的有效途径。材料表面改性主要有物理吸附 与化学键连接法两大类【1 7 】。物理吸附法是指具有表面“活性 的聚合物分子或 末端带有功能基团的聚合物分子在材料表面或界面的自组装，是一种可逆过程， 但由于基体与聚合物分子链之间多以范德华力或氢键连接，相互作用力较弱，所 以改性表面稳定性较差，而化学键连接法可以克服物理吸附法存在的缺点。化学 键连接法是指聚合物分子链以共价键方式连接于基体的表面，这一过程是不可逆 的，是更有效的修饰材料表面的方法，已成为当今的主要发展趋势。共价键连接 法又可分为“接枝到表面”和“从表面接枝 两种技术。 武汉理i 人学硕十学位论文 1 3 1 “接枝到表面”的方法 “接枝到表面”法是大分予链通过具有反应活性的末端基或侧基与功能化表 面的化学反应接枝到基体表面，如图1 - i ( a ) 所示。“接枝到表面”法可以使 丈分子链以共价键的方式连接到基体表面，改性表面稳定，但是由于已接桂聚台 物的空问位阻，溶液本体中的大分子链难以扩散到基体表面从而难以达到较高 的接枝密度 1 9 - 2 0 i 。 ( a )( b ) 图1 - 1 ( a ) “接枝到表面( g r a i n i n g t o ) ” p 一j o o 一1 _ 。1 ( b 1 “从表面接枝( g r a t = 【i n g f r o m ) ” 1 3 2 “从表面接枝”的方法 “从表面接枝”法首先将反应活性种以化学键接枝到基体表面，而后在表面 引发单体接枝聚合，如图1 i ( b ) 所示。与“接枝到表面”法中的夫分子链 相比，单体体积小，容易扩散到基体表而发生链增长反麻，一叮以获得较高的接枝 密度。 目前，“从表面接枝”技术是很有应用前景的固体表面改性方法，己引起众 多研究者的广泛兴趣。据文献报道，多种聚合反应技术如：“活性”丌环聚台、 “活性”阴离予聚合、“活性”阳离子聚合、氯氧自由基调控聚合、可逆加成 断裂链转移聚合以及原子转移自由基聚合等 2 0 l ，都可应用于“从表面接枝”技 术，在摹体表面引发不同类型单体的接枝聚合。在众多可控聚合中，原子转移自 由基聚合( a t r p ) 由于其较宽的单体选择范围和相对温和的反应条件，已成为 应用最为广泛的一种方法。 武汉理工大学硕七学位论文 1 4 原子转移自由基聚合( a t r p ) 研究进展 1 4 1a t r p 的原理 原子转移自由基聚合( a t o mt r a n s f e rr a d i c a lp o l y m e r i z a t i o n ，a t r p ) 是19 9 5 年由c a r n e g i e - m e l l o n 大学王锦山、m a t y j a s z e w s k i 以及日本京都大学泽本光南 ( s a w a m o t o ) 同时提出的一种活性自由基聚合方法。典型的原子转移自由基 聚合的基本原理如下副2 2 】： 毛c t r x + m t n y l i g a n d = r ，。+ x m t n + l - y l i g a n d a c t 渺- m o n o m e r矸_ kt e n n i n a t i o n 图1 2 原子转移自由基聚合基本原理示意图 由图1 2 可知，a t r p 的机理是由中心金属离子的氧化还原反应诱发c x 键 可逆均裂，所产生x 在休h 民种和氧化态金属络合物间可逆迁移，并迅速建立动 态平衡。 具体来说，在引发阶段，处于低氧化态的金属卤化物( 盐) m 只y 从有机卤 化物r - x 中吸取卤原子x ，生成引发自由基r 及处于高氧化态的金属卤化物 x m r l y ，自由基r 可引发单体聚合，形成链自由基p n 。p n 可从高氧化态的 金属络合物x m r l - y 中重新夺取卤原子而发生钝化反应，形成p n x ，并将高 氧化态的金属卤化物还原为低氧化态m t l l y ；如果p n x 与r x 一样( 不总是一 样) 可与m p y 发生促活反应生成相应的p n 和x m r l y ，同时若p n 和x m r l y 又可反过来发生钝化反应生成p n x 和m t n - y ，则在自由基聚合反应进行的同时， 始终伴随着一个自由基活性种与有机大分子卤化物休眠种的可逆转移平衡反应。 结果，降低了自由基浓度，抑制了终止反应，导致“活性”可控聚合。上述引 发增长反应都是通过可逆的卤原子转移而完成的，因此称作原子转移自由基聚 合。快速的卤原子转换则控制着相对分子质量和相对分子质量分布( 聚合物结构 的可控性) 。具体反应过程如下： 5 武汉理工大学硕士学位论文 引发： 增长： r x + m t n y l i g a n d = r + x - - m 2 + l _ y l i g a n d - 一 一 挚m k t j + m r m x + m t n - y l i g a n d jr m 。+ x m t n + 1 y l i g a n d k p i + m p n x+m t n - y l i g a n d i _ j p n + x m t n + 1 y l i g a n d 休眠种 k p f + m 图1 3 原子转移自由基聚合反应讨稗 其中，m t n 为价态为n 的过渡金属离子，m 。n + 1 x 为价态为n + 1 的过渡金属离子， r x 为烷基卤化物，r 、r m 、p - 为自由基，p n - x 为聚合物卤化物。 1 4 2a t r p 的引发体系 a t r p 引发体系由三大部分组成：引发剂、催化剂和配位剂，其中催化剂与 配位剂总是成对出现，有时还使用添加剂【2 2 1 。 1 4 2 1 引发剂 引发剂在a t r p 反应中发挥着十分重要的作用。在a t r p 反应中，引发剂的 用量和类型决定着最终产物的分子量及其分布。因此，选用引发速率快的引发剂 可以获得结构规整、分子量分布窄的聚合物。作为a t r p 引发剂必须满足两个重 要条件：相对链增长，引发反应很快；副反应尽可能小。在最初有关a t r p 的报道中，a t r p 聚合体系的引发剂主要是卤代烷r x ( x = c 1 、b r ) ，王锦山等 对a t r p 引发剂的研究结果表明，所有仅位上含有诱导或共轭基团的卤代烷都能 引发a t r p 反应。如a 氯代苯乙烷、0 【溴代苯乙烷、苄基氯、苄基溴等。p e r c e c 等成功地开发了芳基磺酰氯类引发剂，该类引发剂的s c 1 键解离能低，引发效 率高于卤代烷。r x 的主要作用是定量产生增长链。0 【碳上具有诱导或共轭结构 的r x ，末端含有类似结构的大分子( 大分子引发剂) 也可以用来引发，形成相 应的嵌段共聚物。另一方面，r 的结构应尽量与增长链结构相似，卤素基团必须 能快速且选择性地在休眠种和氧化态金属络合物间交换。 1 4 2 2 催化体系 催化体系是由催化剂和配位剂两部分共同组成的。最初采用的催化体系是 c u x 2 ，2 - 联吡啶。催化体系作为a t r p 中的关键因素，其基本的要求是对原子 6 武汉理t 大学硕士学位论文 转移过程有高的选择性和形成m t n + 1 x 的高倾向性。a t r p 常用的催化剂为c u x ( x = c 1 、b r ) ；r u 2 3 】和n i t 2 4 】的络合物；f e 的络合物【2 5 之9 】等。配位剂主要有吡 啶和多胺两大类，常用的有：联二吡啶；n ，n ，n ，n ”，n ”一五甲基二亚乙基 三胺、2 吡啶甲醛缩正丙胺等。a t r p 反应的催化体系就是在催化剂、配位剂形 成络合物时进行的，反应的速率和效率受到所形成的络合物结构的影响。在a t r p 反应中，配位剂对催化体系的活性也至关重要，它们可以通过自身的电子效应和 立体效应给催化剂以适当的选择性，可以调节过渡金属的氧化还原性能，还可以 增加催化剂在反应混合物中的溶解度，使反应尽量在均相溶液中进行。因此，配 位剂及其相应的催化体系的研究对寻找合适的a t r p 催化体系有着十分重要的 意义。 1 4 3a t r p 的单体 与其它活性聚合相比，a t r p 具有最宽的单体选择范围，这也许是a t r p 最 大的魅力所在。目前已经报道的可通过a t r p 聚合的单体种类如下【3 0 3 1 】： 1 4 3 1 苯乙烯类的单体 己被成功用于a t r p 的苯乙烯类的单体主要有对氟苯乙烯、对甲基苯乙烯、 对氯甲基苯乙烯、对溴苯乙烯等。 1 4 3 2 丙烯酸酯类的单体 通常的单体有通用( 甲基) 丙烯酸酯，如( 甲基) 丙烯酸甲酯、( 甲基) 丙 烯酸乙酯等；带有功能基团的( 甲基) 丙烯酸酯，如( 甲基) 丙烯酸羟丙酯；特 种( 甲基) 丙烯酸酯，如( 甲基) 丙烯酸1 ，1 二氢全氟辛酯等。 1 4 4a t r p 的特点 与传统聚合反应相比，a t r p 具有以下特点： a t r p 适用范围较广，既适用于极性单体，又适用于非极性单体，原料易得， 几乎包含了所有适用于其他活性聚合的单体以及一些目前无法进行活性聚合的 单体。 分子量可控，分子量分布窄，可发生“活性可控的聚合反应，这是a t r p 区别于普通自由基聚合的最突出的优点【3 0 1 。 运用a t r p ，可实现有效的聚合物结构设计，这是高分子科学工作者的梦想， 也是a t r p 具有广泛应用前景及潜在分子设计价值的根本所在。 反应条件温和，聚合工艺简单，反应设备与一般自由基聚合相同，工业前景 十分广阔。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 聚( n - 乙烯基吡咯烷酮) ( p v p ) 的性质及研究进展 1 5 1p v p 的性质 早在1 9 3 8 年，著名的乙炔化学家w a l t e rr e p p ej 在实验室中首先合成了聚( n - 乙烯基吡咯烷酮) ( p o l y v i n y l p y r r o l i d o n e ，简称p v p ) ，p v p 首先被用来作为血浆 的代用品，后于1 9 5 0 年在美国实现工业化。p v p 是由- 乙烯基吡咯烷酮( n v p ) 聚合而成的，主要包括n v p 的均聚物、共聚物和交联聚合物三类3 2 1 。p v p 分子 式可用下式表示： 呻h 2 一罕h 打 o 图1 - 4 聚( 乙烯基吡咯烷酮) 结构式 p v p 是白色、乳白色或略带黄色的粉末固体或液体，p v p 在水中的溶解过程 是一个散热过程，在水中的溶解热为4 8 k j m o l ，折光率n = 1 5 3 3 3 1 。 1 5 1 1p v p 的物理性质 ( 1 ) p v p 的溶解性 p v p 在溶解性方面具有优异的性质：从p v p 分子的n v p 结构单元看，由于 其含有一个极性较大的内酰胺基，与极性分子和极性基团有强的亲和力，而在其 分子结构单元环内及分子主链上又有非极性的亚甲基，使其又具有亲油性，这种 结构特征使p v p 能溶于水和许多有机溶剂，如烷烃、醇、羧酸、胺、氯化烃等 f 3 4 1 。一般的，p v p 较易溶解于极性相对较强的有机溶剂，而在乙酸乙酯、丙酮、 二氧六环、乙醚、环己烷等溶剂中的溶解性较差。 ( 2 ) p v p 的分散稳定性 p v p 降低表面或界面张力的能力比小分子表面活性剂小，渗透能力也较弱， 但其对固体表面的吸附作用和亲水性所形成的立体屏蔽能力，使p v p 固体粒子 具有优良的分散稳定性【3 5 1 。 ( 3 ) p v p 的成膜性 p v p 具有良好的成膜性，可在水、甲醇、乙醇、氯仿等溶剂中浇铸成无色透 8 武汉理r 大学硕士学位论文 明光亮的薄膜，且具有一定的硬度。 1 5 1 2p v p 的化学性质 ( 1 ) 络合性 p v p 分子结构具有强极性和易形成氢键的酰胺基团，且分子内的o 原子、n 原子是典型的配位原子，具有与某些物质生成络合物的能力，使p v p 能够与许 多物质，特别是含有羟基、羧基、氨基及其他活泼氢原子的化合物生成固态络合 物【3 5 】。 ( 2 ) 化学稳定性 p v p 的热稳定性较好，固体p v p 在1 0 0 条件下加热1 5 h 以上都不发生明显 的化学变化。p v p 的水溶液在通常情况下也很稳定；p v p 具有优良的化学惰性， 能与大多数化合物混溶。 1 5 1 3p v p 的生理相容性 p v p 具有良好的生理相容性，不参与人体的新陈代谢，对皮肤、粘膜、眼等 部位和器官不形成任何明显的刺激。从生物学的角度来看，p v p 分子结构中的酰 胺基团类似于简单蛋白质分子模型中的氨基酸官能团，使它的一些性质与蛋白质 相似。 1 5 2p v p 在医药卫生工业的应用 p v p 独特的理化特性以及其优良的生理相容性，在药用辅料上的作用日显重 要。六十年代后，p v p 开始用于制药工业，它的高溶解度和易加工的性质，使药 片成形的固体块状容易粉碎，可大大降低干燥时间及生产成本。p v p 在医药上主 要应用于药物辅料及杀菌消毒剂两个方面啪1 。研究发现，对湿、热敏感的药物， 如硝酸甘油、阿司匹林等用p v p 的醇溶液造粒，可有效消除水分、干燥温度及时 间对药物稳定性的影响；对疏水性药物，用其水溶液作黏合剂不但有利于均匀湿 润，而且还能增加药物的溶出度；p v p 与天然或合成纤维素结合，可制成血液透 析膜，用于人工肾：在我国医药行业，p v p 主要用做聚维酮碘消毒剂，是p v p 与 碘的络合物，具有低毒、高效、缓释等特性，对细菌、病毒霉菌以及孢子都有较 强的杀灭作用，又克服了碘溶液溶解度低、不稳定、易产生过敏反应、具有刺激 性等缺点，广泛用于外科手术，预防术后感染以及溃疡、口腔炎等疾病的治疗b 引。 1 5 3p v p 在表面改性中的研究 p v p 在第二次世界大战中最初作为血浆增容剂使用，在后来的研究中人们逐 渐发现，p v p 具有许多优良的物理化学性能：( 1 ) p v p 具有优异的水溶性和生 物相容性【珏83 9 1 ；( 2 ) p v p 具有优良的化学稳定性和生理惰性【4 0 】；( 3 ) p v p 可以 9 武汉理工大学硕士学位论文 屏蔽细菌，阻止细菌黏附1 4 l 】：( 4 ) p v p 可有效的阻止非特异性蛋白吸附。例如 r o b i n s o n 研究小组【4 2 】将p v p 预吸附在硅表面，研究发现p v p 分子以卷曲的构象 形式吸附在材料的表面，虽然不能完全阻止蛋白质吸附，但可大大减少蛋白质在 硅表面的吸附；m a t s u d a 等【4 3 】通过共混法制备了聚砜p v p 渗析膜，研究发现随 着p v p 在膜中含量的增大，渗析膜排斥蛋白吸附能力增强；r o v i r a - b r u 研究小 组 “】报道了在氧化锆颗粒表面首先引入可聚合的乙烯基，然后与n v p 通过传统 自由基聚合，从而将p v p 接枝在氧化锆颗粒表面的改性方法，研究发现随着表 面p v p 接枝量( g m o l c m 2 ) 的增大，溶菌酶在氧化锆颗粒表面的吸附量逐渐减 少；h i g u c h i 等【4 5 】也采用了和r o v i r a - b m 研究小组相似的方法，将p v p 接枝在聚 砜中空纤维膜上，其研究结果是随着表面p v p 接枝量( 1 x m o l c m 2 ) 的增大，血 浆蛋白质在膜表面的吸附量逐渐减少。可以看出，结合p v p 优异的生物相容性 和排斥非特异性蛋白质吸附的特点，利用p v p 进行医用高分子材料表面改性是 解决材料生物相容性问题的一个很好的思路。 1 6 本论文的研究意义和主要内容 1 6 1 研究意义 由于聚乙二醇( p e g ) 大分子具有较高的分子柔顺性、亲水性，能够通过空 间位阻效应有效的排斥材料表面的非特异性蛋白质吸附，从而有效的改善材料的 生物相容性【4 6 1 ，利用p e g 进行医用高分子材料表面修饰从而改善材料的生物相 容性成为目前最为普遍的研究方法【9 , 4 7 】。但p e g 在一定环境中的降解性使其在一 些领域中的应用受到限制 4 引。 而p v p 优异的物理化学性能，使其在表面改性中具有独特的优势。运用传统 的方法在材料表面接枝p v p 以减少表面非特异性蛋白质吸附的研究已有相关文 献报道，然而，所采用的传统自由基聚合缺乏可控性，对p v p 的接枝密度和接 枝链的长度与蛋白质排斥行为的相关性还缺乏系统深入的认识。而对接枝聚合物 排斥非特异性蛋白质吸附起着关键性作用的恰恰是接枝密度和接枝链的长度 【4 9 】。目前文献报道的方法主要有：( 1 ) 表面吸附p v p 法，由于其易脱附而缺乏 耐久性；( 2 ) 表面自由基接枝p v p 方法，传统方法不能控制聚合物的接枝密度 和聚合物链的长度及其均一性，缺乏可调节性与可重复性，尤其是接枝密度的不 可控会留下未接枝区域而造成局部大量吸附，所以都不能有效的研究p v p 接枝 层与蛋白质相互作用的机理。 如果将- 乙烯基吡咯烷酮( n v p ) 单体通过表面引发原子转移自由基聚合 ( s i - a t r p ) 方法接枝在材料表面，则由于s i - a t r p 具有下列优势f 4 6 】：( 1 ) 接 1 0 武汉理工大学硕十学位论文 枝聚合是在材料表面引发单体聚合，从而可以获得高的接枝密度；( 2 ) 由于材料 表面高的接枝密度，促使材料表面接枝的聚合物链的构象以“刷”形存在，从而 随着接枝聚合物分子量的增大，接枝聚合物的厚度线性增长；( 3 ) 可通过调控表 面引发剂的密度和聚合条件来控制接枝聚合物的接枝密度和厚度。通过s i - a t r p 方法可将接枝密度和接枝链长度可控的p v p 接枝在材料表面，从而可有效的研 究p v p 与蛋白质的相互作用，为具有优异生物相容性材料表面设计提供理论基 础。 然而由于n v p 这类单体在聚合过程中端基自由基的高活性和低失活效率导 致其可控聚合很长一段时间都难以实现【5 0 1 ，所以目前成功地报道有关n v p 的 a t r p 聚合方面的例子甚少【5 ，而将n v p 通过a t r p 的方法接枝到医用高分子 材料表面的研究在我们之前还没有文献报道。所以n v p 的s i - a t r p 聚合研究不 仅是一项富有挑战性的工作，而且具有重要的理论价值和实际意义。同时由于 a t r p 接枝聚合是“活性 聚合，经过a t r p 接枝聚合后的聚合物具有“活性 的末端，还可进行二次a t r p 接枝聚合，对材料表面进一步改性。 1 6 2 主要内容 基于原子转移自由基聚合的一系列优点，结合实验室条件，本论文拟采用原 子转移自由基聚合将n v p 单体接枝聚合到单晶硅表面，并进一步研究改性表面 与蛋白质的相互作用情况。其研究内容主要有以下几个