丝素蛋白对PP和PET的表面改性及改性后材料表面矿化研究

摘要

作为物理化学性能优异、原料来源丰富且价格低廉的塑料，聚丙烯(Polypropylene，PP)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(Poly(ethylene terephthalate)，PET)已在汽车、家电、日用品及家具、包装等国民经济和日常生活中各个领域得到广泛应用。但与大多数聚合物材料一样，PP和PET存在着大量的表面和界面问题，如表面硬度低、阻隔性差、难印刷、难粘接，特别是生物相容性差，这大大限制了其在生物医药领域的应用。目前，生物材料的研究捷径之一是对已有的物理机械性能俱佳的合成高分子材料进行表面改性，因此，若能对PP、PET的惰性表面进行生物相容性改进，我们将有望开发出以此为基体的生物材料，极大地拓展其应用空间。
　　蚕丝素蛋白(Silk Fibroin，SF)作为一种来源广，价格低的生物大分子，由于具备优异的生物相容性、可生物降解性、透气透氧性以及较低的炎症反应而被广泛用于生物医药领域，其在酶固定化电极、药物缓释载体和组织工程支架等的研究中表现出了优异的非免疫原性和生物相容性，能够很好地促进细胞的粘附、生长和分化。与此同时，作为脊椎动物骨骼的主要组成部分，磷酸钙(CalciumPhosphate，CP)，特别是其代表羟基磷灰石(Hydroxyapatite，HAP)由于良好的生物相容性和诱导成骨能力被广泛应用于组织工程支架研究。这其中，利用交替矿化法、模拟体液矿化法和共沉淀等方法，大量的丝素蛋白/羟基磷灰石支架材料已被相继报道。
　　基于此，本文希望从丝素蛋白固定和羟基磷灰石矿化两方面进行PP和PET的生物相容性改进研究。丝素蛋白的固定主要采用了共价结合和溶液浸涂两种方法，并以对PP的改性为基础进行了实验方法的初步探索。FET的改性中我们对两种丝素蛋白固定方法进行了深入的探讨，全面分析了二者改性效果的异同及其产生原因。文章最后，我们在表面改性的PET上进行了羟基磷灰石的矿化，讨论了不同改性对矿化的影响及矿化后材料的生物相容性。
　　丝素蛋白与材料的共价结合通过其与接枝于材料表面的聚丙烯酸(Poly(acrylic acid)，PAA)的相互作用来实现。为此，我们首先进行了PP表面接枝PAA的试验，分别讨论了聚合反应时间、单体浓度、聚合反应温度、等离子体处理功率和时间等对PP表面PAA接枝率的影响，并初步得到PAA接枝反应的较适宜条件:单体浓度40％，反应温度80℃，等离子体处理功率＞75 W，等离子体处理时间＞90s。
　　我们以等离子体功率100 W、处理时间120 s，丙烯酸(Acrylic Acid，AA)单体浓度40％(v/v)，聚合反应温度80℃、时间4h的条件在PP膜表面接枝PAA（标记为PP-PAA，其中PAA接枝率GD=0.33±0.18μg/cm2），并借助偶联剂在其表面固定丝素蛋白（所得材料为PP-PAA-SF）;同时利用等离子体处理后直接浸涂丝素蛋白的方法制得PP-SF材料。大鼠间骨髓间充质干细胞(Mesenchymal stem cells,MSCs)的培养实验结果表明，PP-PAA-SF由于PAA的存在引入了细胞毒性，对MSCs的生长有抑制作用，而PP-SF则促进了MSCs的生长。
　　为降低PAA的接枝率，在PET表面接枝PAA的实验中我们将AA浓度降至20％(v/v)，得到接枝率GD=0.19±0.05μg/cm2的PET-PAA，并采取与PP表面固定SF相同的方法制取PET-PAA-SF和PET-SF两种材料。我们利用表面衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、原子力显微镜(AFM)和水接触角(WCA)等对经过不同表面改性处理的PET膜进行了表征。XPS结果表明，PET-PAA-SF膜上确实建立了PAA与SF的共价连接，PET-SF由于等离子体处理在PET表面引入了羧基等极性基团，除了疏水、静电力相互作用外，SF还通过部分共价相互作用固定在PET表面。两者相比较，PET-SF表面丝蛋白的固定量多于PET-PAA-SF，这样的差异可能是由于固定SF前两者表面粗糙度（对应于比表面积）的不同造成的:AFM表征显示，等离子体处理对PET产生了明显的刻蚀，极大提高了材料表面粗糙度，而接枝PAA后由于PAA对材料表面的填平效应，得到的PET-PAA其表面粗糙度大大降低至原始PET的水平。固定SF后PET-PAA-SF与PET-SF的表面粗糙度相近，但是后者的水接触角小于前者。
　　在MSCs的培养中，与PP-SF和PP-PAA-SF的实验结果类似，PET-SF再次表现出优异的细胞亲和力，而PET-PAA-SF则抑制了细胞的生长。这表明相对于将丝素蛋白共价结合于接枝PAA的聚合物材料表面，等离子体处理后直接浸涂丝素蛋白是更简便易行且能显著提高材料生物相容性的改性方法。
　　对于经不同改性的PET无纺布于CaCl2和Na2HPO4溶液中交替矿化后的样品，扫描电子显微镜(SEM)和热失重分析(TGA)结果表明，PAA接枝和丝素蛋白固定由于引入了可以螯合钙离子的羧基等极性基团，极大提高了材料表面磷酸钙盐的沉积量，这种影响在矿化次数较少时表现明显，并随着矿化次数的增多，无机物逐渐布满基底后减弱。XRD表征结果证明这种交替矿化方法在材料表面产生的磷酸钙盐为羟基磷灰石。随后，我们对PET-SF和PET-PAA-SF膜材料进行10个矿化循环的磷酸钙沉积制备PET-SF-10(HAP)和PET-PAA-SF-10(HAP)。MSCs培养结果表明，相对于有较好MSCs亲和力的PET-SF，PET-SF-10(HAP)由于HAP的引入生物相容性进一步提高。PET-PAA-SF-10(HAP)相对于PET-PAA-SF虽然对MSCs的粘附生长有所促进，但由于HAP引入的量大部分用于抵消PAA的细胞毒性，所以改善幅度不是很大。
　　至此，我们的实验为韧带组织工程的材料改性提供了很好的参考依据，即在构建两端具有成骨能力而中部有良好生物相容性的人工韧带时，可以采用等离子体处理后浸涂丝素蛋白的方法先将韧带材料表面固定一层具有良好生物相容性的丝素蛋白，而后材料两端可以利用在CaCl2和Na2HPO4溶液中交替矿化的方法引入羟基磷灰石，使其在生物体内更好的促进成骨。

目录

论文说明

摘要

第一章 绪论

1．1 PP、PET及生物材料

1．2 材料的生物相容性及其评价

1．2．1 细胞的粘附过程

1．2．2 影响细胞粘附的因素

1．2．3 生物相容性评价

1．3 基于生物医药应用的高分子材料表面改性

1．3．1 材料表面的形貌修饰

1．3．2 材料表面的化学组成修饰

1．3．3 材料表面的生物大分子修饰

1．3．4 其他表面改性方法

1．4 丝素蛋白及其应用

1．5 羟基磷灰石及其矿化

1．5．1 生物矿物中的磷酸钙

1．5．2 羟基磷灰石/蚕丝素蛋白复合物在骨仿生材料中的应用研究现状

1．6 选题目的以及主要研究内容

参考文献

第二章 丝素蛋白对PP膜的表面改性

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 材料与试剂

2．2．2 PP膜表面接枝聚丙烯酸

2．2．3 PP膜表面固定丝素蛋白

2．2．4 测试和表征

2．2．5 大鼠骨髓间充质干细胞(MSCs)在PP膜上的培养

2．3 结果与讨论

2．3．1 PP表面接枝聚丙烯酸的反应条件

2．3．2 PP表面固定丝素蛋白

2．3．3 大鼠骨髓间充质干细胞(MSCs)在PP膜上的培养

2．4 本章小结

参考文献

第三章 丝素蛋白对PET的表面改性

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 材料与试剂

3．2．2 PET膜表面接枝聚丙烯酸

3．2．3 PET膜表面固定丝素蛋白

3．2．4．测试和表征

3．2．5 大鼠骨髓间充质干细胞(MSCs)在PET膜上的培养

3．3 结果与讨论

3．3．1 红外光谱(FTIR)表征

3．3．2 X射线光电子能谱(XPS)表征

3．3．3 原子力显微镜(AFM)对PET膜表面的观察

3．3．4 水接触角(WCA)表征

3．3．5 大鼠骨髓间充质干细胞(MSCs)培养

3．4 本章小结

参考文献

第四章 PET表面羟基磷灰石矿化

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 材料与试剂

4．2．2 材料表面改性

4．2．3 PET材料于CaCl2和Na2HPO4溶液中交替矿化

4．2．4 测试与表征

4．2．5 大鼠骨髓间充质干细胞(MSCs)在PET膜上的培养

4．3 结果与讨论

4．3．1 PET无纺布表面羟基磷灰石的矿化

4．3．2 PET膜表面磷酸钙的矿化

4．4 本章小结

参考文献

论文发表情况

致谢

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