基于氨基酸两性离子水凝胶库的制备与眼科应用研究

摘要

聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA)水凝胶和硅水凝胶在生物医学领域具有重要的应用价值，常用于制备角膜接触镜。然而，这类水凝胶表面显示出较强的疏水性，特别是硅水凝胶材料的静态水接触角达到100°左右，导致泪液中的蛋白质和脂质易于沉积在表面，临床上可能引发细菌感染等并发症。因此，提高水凝胶材料表面的亲水性和抗粘附性能，对于拓展其在眼科的临床应用非常重要。本文通过氨基引发的点击化学反应将一系列氨基酸或短肽接枝到水凝胶表面，以提高水凝胶表面的亲水性和抗粘附性能，并探索了水凝胶在眼科领域的应用。具体分为以下四个部分:
　　第一部分，通过甲基丙烯酸羟乙酯单体(HEMA)和甲基丙烯酸缩水甘油酯单体(GMA)的自由基聚合反应，制备了一系列带有环氧基团的共聚物膜p(HEMA-co-GMA);随后，通过氨基酸的氨基与共聚物膜中环氧基团的开环反应，将一系列氨基酸接枝到PHEMA水凝胶表面，得到氨基酸两性离子PHEMA水凝胶库。衰减全反射傅里叶变换红外光谱(ATR/FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)证明氨基酸成功地接枝到了水凝胶表面。改性后的PHEMA水凝胶的亲水性能明显提高，而蛋白沉积量则与接枝氨基酸的种类有关:中性氨基酸两性离子PHEMA水凝胶显示出较强的抵抗牛血清白蛋白(BSA)和溶菌酶(Lyz)粘附的能力;带有电荷的氨基酸两性离子PHEMA水凝胶对带有相同电荷的蛋白具有一定的抗沉积作用而对带有相反电荷的蛋白沉积量明显增加。体外细胞毒性实验表明氨基酸两性离子PHEMA水凝胶是无细胞毒性的。最后，制备了三种基于氨基酸两性离子的PHEMA水凝胶接触镜镜片，通过兔子的体内配戴实验表明该水凝胶镜片具有良好的亲水性和抗蛋白沉积的能力，同时对兔子眼组织无明显刺激性。
　　第二部分，通过紫外光引发的硅单体和GMA的自由基聚合反应，制备了一系列带有环氧基团的共聚物膜p(Si-co-GMA);随后，通过氨基酸的氨基与共聚物膜中环氧基团的开环反应，将一系列氨基酸接枝到硅水凝胶表面，得到氨基酸两性离子硅水凝胶库。ATR/FTIR和XPS证明氨基酸成功地接枝到了硅水凝胶表面。通过接触角和含水率实验对氨基酸接枝的硅水凝胶进行表征，实验结果表明氨基酸两性离子硅水凝胶的亲水性能明显提高。随后，以BSA和Lyz作为目标蛋白来评价硅水凝胶的抗蛋白粘附性能。蛋白沉积实验结果表明中性氨基酸两性离子硅水凝胶显示出较强的抵抗BSA和Lyz粘附的能力，这要归功于由质子化的仲胺阳离子与去质子化的羧基阴离子组成的两性离子表面的形成;而带有电荷的氨基酸两性离子硅水凝胶对带有相同电荷的蛋白具有一定的抗沉积作用而对带有相反电荷的蛋白沉积量明显增加。体外细胞毒性实验表明氨基酸两性离子硅水凝胶是无细胞毒性的。最后，运用聚丙烯模具制备了三种基于氨基酸两性离子的硅水凝胶接触镜镜片。通过兔子的体内配戴实验和兔子眼球组织切片的病理学分析，表明该水凝胶镜片不仅具有良好的抗蛋白粘附性能而且对兔子眼组织无明显刺激和伤害。
　　第三部分，首先设计并合成了一种带有亲水性基团的氟化硅氧烷大分子单体并且在不需要助溶剂的条件下能够与亲水性单体互溶，得到透明的氟化硅氧烷稳定聚合体系。通过紫外光引发的自由基聚合反应，制备了一系列带有环氧基团的共聚物膜p(FSi-co-GMA);随后，通过氨基酸的氨基与共聚物膜中环氧基团的开环反应，将一系列氨基酸接枝到氟硅水凝胶表面，得到氨基酸两性离子氟硅水凝胶库。接触角和含水率的实验结果表明改性后的氟硅水凝胶的亲水性能明显提高。蛋白沉积实验结果表明氨基酸两性离子氟硅水凝胶的蛋白沉积量与接技氨基酸的种类有关:中性氨基酸两性离子氟硅水凝胶显示出较强的抵抗BSA和Lyz粘附的能力;带有电荷的氨基酸两性离子氟硅水凝胶对带有相同电荷的蛋白具有一定的抗沉积作用而对带有相反电荷的蛋白沉积量明显增加。体外细胞毒性实验表明氨基酸两性离子氟硅水凝胶是无细胞毒性的，在眼科领域具有潜在的应用。
　　第四部分，通过紫外光引发的自由基聚合反应，制备了一系列带有环氧基团的共聚物膜p(Si-co-GMA);随后，通过短肽的氨基与共聚物膜中环氧基团的开环反应，将二甘肽(GG)和二甘氨酰甘氨酸(GGG)接枝到硅水凝胶表面，得到短肽两性离子硅水凝胶。通过ATR/FTIR，XPS和重量法对短肽两性离子硅水凝胶进行表征，实验结果表明短肽成功地接枝到了硅水凝胶的表面和内部。与此同时，短肽接枝后的硅水凝胶显示出良好的亲水性和平衡含水率。随后，以BSA和Lyz作为目标蛋白，用二喹啉甲酸法(BCA)进一步评价硅水凝胶的抗蛋白粘附性能。蛋白沉积实验结果显示所有的短肽两性离子硅水凝胶都具有较强的抵抗BSA和Lyz粘附的能力;硅水凝胶所接枝短肽的链越长，抗蛋白沉积能力越强，因此GGG接枝的硅水凝胶具有更好的抗蛋白粘附性能。体外细胞毒性实验表明短肽两性离子硅水凝胶是无细胞毒性的，表明它们具有优异的生物相容性。最后，制备了两种基于短肽两性离子的硅水凝胶接触镜镜片，通过兔子的体内配戴实验表明该水凝胶镜片具有良好的亲水性和抗蛋白沉积的能力，同时对兔子眼组织无明显刺激性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 水凝胶

1．2 水凝胶接触镜材料

1．2．1 聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA)水凝胶

1．2．2 硅水凝胶

1．2．3 氟硅水凝胶

1．3 水凝胶接触镜材料的表面改性

1．3．1 模具材料法

1．3．2 涂覆法

1．3．3 等离子法

1．3．4 化学接枝法

1．4 两性离子聚合物

1．4．1 甜菜碱两性离子聚合物

1．4．2 氨基酸两性离子聚合物

1．5 研究内容

第二章 氨基酸两性离子聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA)水凝胶库的制备、表征与应用研究

2．1 引言

2．2 实验

2．2．1 试剂与仪器

2．2．2 氨基酸两性离子PHEMA水凝胶的制备

2．2．3 氨基酸两性离子PHEMA水凝胶的表征

2．2．4 氨基酸两性离子PHEMA水凝胶接触镜的制备与体内外评价

2．3 结果与讨论

2．3．1 反应原理

2．3．2 表面表征

2．3．3 接枝率

2．3．4 亲水性

2．3．5 平衡含水率

2．3．6 蛋白沉积

2．3．7 体外细胞毒性

2．3．8 氨基酸两性离子PHEMA水凝胶接触镜的体内外评价

2．4 本章小结

第三章 氨基酸两性离子硅水凝胶库的制备、表征与应用研究

3．1 引言

3．2 实验

3．2．1 试剂与仪器

3．2．2 氨基酸两性离子硅水凝胶的制备

3．2．3 氨基酸两性离子硅水凝胶的表征

3．2．4 氨基酸两性离子硅水凝胶接触镜的制备与体内外评价

3．3 结果与讨论

3．3．1 反应原理

3．3．2 表面表征

3．3．3 接枝率

3．3．4 亲水性

3．3．5 平衡含水率

3．3．6 蛋白沉积

3．3．7 体外细胞毒性

3．3．8 氨基酸两性离子硅水凝胶接触镜的体内外评价

3．4 本章小结

第四章 氨基酸两性离子氟硅水凝胶库的制备与表征

4．1 引言

4．2 实验

4．2．1 试剂与仪器

4．2．2 氨基酸两性离子氟硅水凝胶的制备

4．2．3 氨基酸两性离子氟硅水凝胶的表征

4．3 结果与讨论

4．3．1 反应原理

4．3．2 接枝率

4．3．3 亲水性

4．3．4 平衡含水率

4．3．5 蛋白沉积

4．3．6 体外细胞毒性

4．4 本章小结

第五章 基于短肽两性离子硅水凝胶的制备、表征与应用研究

5．1 引言

5．2 实验

5．2．1 试剂与仪器

5．2．2 短肽两性离子硅水凝胶的制备

5．2．3 短肽两性离子硅水凝胶的表征

5．2．4 短肽两性离子硅水凝胶接触镜的制备与体内外评价

5．3 结果与讨论

5．3．1 反应原理

5．3．2 表面表征

5．3．3 接枝率

5．3．4 亲水性

5．3．5 平衡含水率

5．3．6 蛋白沉积

5．3．7 体外细胞毒性

5．3．8 短肽两性离子硅水凝胶接触镜的体内外评价

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

附录A 攻读博士学位期间所发表的学术论文目录