光交联壳聚糖基仿生水凝胶的制备、表面固定化及其抗菌性能

摘要

本文从细胞膜仿生的角度出发，将细胞膜组分之一的磷酸胆碱（PC）和甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）偶联到天然高分子壳聚糖上，获得可光交联的仿生大分子，可用光引发的方法制备力学性能可调的壳聚糖基仿生水凝胶及实现仿生凝胶在高分子膜表面的固定，并对其理化性能、生物相容性及抗菌性进行了系统研究。 我们首先对壳聚糖改性得到油溶性的6-O-三苯基甲醚化壳聚糖（Cs-Tr），然后基于Antherton-Todd反应得到取代度为42%的两性磷酸胆碱化壳聚糖（PCCs），进而用甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）通过环氧开环反应，并控制投料比得到不同取代度（DS）的PCCs-GMA，通过核磁氢谱（1H NMR）、磷谱（31P NMR）和红外光谱（FTIR）对其结构进行了确认。并用2,3-环氧丙基三甲基氯化铵（GTMAC）和GMA偶联壳聚糖得到的甲基丙烯酸缩水甘油酯化的壳聚糖季铵盐（HTCC-GMA）和甲基丙烯酸缩水甘油酯化的壳聚糖（Cs-GMA）作为对照组。通过X射线衍射（XRD）和热失重（TG）研究发现PC和GMA基团的引入降低了壳聚糖衍生物的结晶性和热稳定性。 以I2959作为光引发剂，通过紫外光引发交联的方法制备了PCCs-GMA水凝胶。通过流变和溶胀性能测试发现，GMA取代度的增加可提高PCCs-GMA凝胶的储能模量和损耗模量，但降低凝胶的溶胀率。以牛血清蛋白（BSA）、纤维蛋白原（FIB）和溶菌酶（LYS）为蛋白模型，Cs-GMA0.27水凝胶和聚乙二醇水凝胶（PEG13-DA）水凝胶作为对照，研究发现，无论是对吸附总量还是不可逆吸附量，可生物降解的PCCs-GMA仿生水凝胶均具有良好的抗蛋白吸附性能，蛋白吸附量和公认的具有良好抗蛋白吸附性能的聚乙二醇凝胶基本接近。 通过表面预先用紫外光/双氧水处理引入过氧基自由基，然后用紫外光引发PCCs-GMA，HTCC-GMA和Cs-GMA在高分子膜表面光固定。通过接触角、原子力显微镜和X射线光电子能谱（XPS）分析表明，材料表面形成了一层可功能化的抗生物黏附凝胶固化膜，降低了材料表面的接触角和粗糙度，增加了其亲水性。扫描电镜（SEM）和LIVE/DEAD荧光分析发现，和PET-GMA-Cs和PET-GMA-HTCC固定膜相比，PET-GMA-PCCs固定膜有明显的抗细菌粘附性。血液相容性性能研究发现，相比PET-GMA-Cs和PET-GMA-HTCC固定膜，PET-GMA-PCCs固定膜具有更低的红细胞毒性（红细胞SEM形貌）和更强的抗溶血性（溶血率＜2%），并且蛋白和血小板粘附量远远低于前者。大鼠骨髓间充质干细胞（BMSC）的粘附和增殖测试发现，PET-GMA-PCCs固定膜对细胞的粘附要远远多于PET-GMA-Cs和PET-GMA-HTCC固定膜，并且增殖率远远大于后两者，预示其可能对哺乳动物细胞有选择黏附性和促生长作用。 综上所述，我们合成了可光交联的两性PCCs-GMA仿生高分子单体，用光交联的方式制备了力学性能可调的抗蛋白污染的PCCs-GMA仿生水凝胶；并用光引发固定的方式将PCCs-GMA水凝胶固定到高分子膜表面，获得了集抗细菌黏附和良好生物相容性为一体的改性膜表面，有望在生物医学领域得到应用。

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