合成水凝胶的流变学性能及相关生物材料的基础研究

摘要

在众多的高分子材料中,高分子水凝胶以其独特的性能和广阔的应用前景成为当今研究的热点领域之一。其中,温敏性物理水凝胶由于其特有的溶胶-凝胶性质而被广泛应用于组织工程和药物控制释放等领域。本博士论文针对温敏性嵌段聚合物水溶液凝胶体系流变学性能和凝胶化过程而展开。从基础研究的角度来说,物理水凝胶内部复杂的相互作用涉及到软物质的自组装过程,溶胶-凝胶转化过程的非等温性和簇结构的可破坏性对传统的高分子凝胶化理论提出了挑战。水凝胶的力学性质也并不完全等同于传统的橡胶交联网络,其流变学性能与结构之间相互关系一直是高分子物理研究中的热点问题。从实际应用的角度来说,物理凝胶化的过程往往可逆,在溶胶状态下与细胞或是药物混合,在人体的生理环境下形成凝胶从而达到细胞包裹和药物释放的目的。而材料的流变学参数如粘度和模量是上述两方面用途中及其重要的参考参数。因此,研究物理水凝胶的流变学性质和凝胶化过程是一个综合了高分子物理、流变学和生物医学等的交叉学科课题。
　　 本论文的研究对象是PEO-PPO-PEO类三嵌段聚合物和PEG/聚酯类嵌段聚合物的水凝胶。作为很有应用前景的两类医用水凝胶材料,都存在不少重要的问题需要回答,例如:组织工程和药物释放中常用的盐类缓冲体系或是细胞培养液是否会改变嵌段聚合物水凝胶的凝胶化过程的物理本质?两类材料在溶胶状态和凝胶状态时各自的流变学性质和物理凝胶化中的流变学参数如何变化,机理是什么?亲水性PEG均聚物的加入是否会对溶胶.凝胶转变过程产生影响,如果可以,那么在两类体系中是否有相同的效应?水凝胶的力学性能到底是如何影响细胞的生理行为?本论文的工作将围绕上述问题展开水凝胶的合成、流变学性能表征、物理凝胶化过程等的研究并初步考察了水凝胶粘弹性对细胞行为的影响。
　　 我们以Pluronic F127为模型化合物,以PBS缓冲溶液和DMEM培养基为模型溶液考察了组织工程和药物缓释体系中常用溶液体系对温敏性三嵌段聚合物PEO-PPO-PEO凝胶体系物理化学性质和粘弹性性质的影响。通过对溶胶-凝胶转变附近大量而细致的频率扫描工作,观测到Pluronic F127水溶液在溶胶-凝胶转变过程中的临界行为。进而研究了PBS缓冲溶液和细胞培养液DMEM对Pluronic F127流变学性能和溶胶-凝胶转变过程的影响。我们还在Pluronic F127包裹二氧化硅粒子和细胞,研究它们对体系流变学行为的影响。以流变学研究方法和其它手段相结合研究了PLGA-PEG-PLGA体系的粘弹性行为和物理凝胶化过程的机理。在此基础上系统地研究了PEG均聚物对PEO-PPO-PEO类三嵌段聚合物和PEG/聚酯类嵌段聚合物水溶液体系的影响,提出了两个机理来解释所观测到的不同实验现象。最后我们合成表征了PAAM水凝胶并考察了影响水凝胶模量的因素。通过两种方法在PAAM表面接枝胶原并成功制备了表面模量图案化分布的水凝胶并初步考察了细胞的黏附和在软硬边界处的取向。
　　 本博士论文的创新性贡献可以总结为以下几个部分:
　　 1.发现了组织工程和药物释放中常用的缓冲液体系对PEO-PPO-PEO三嵌段聚合物凝胶化和粘弹性能的规律性影响。发现与纯水中相比,热敏凝胶化温度发生了改变;进一步发现,在以转变温度进行约化以后,溶胶状态和凝胶状态体系参量各自遵循的普适规律,并测得了体系凝胶化过程的粘弹性标度指数。结果表明:Pluronic在PBS和DMEM中的基本物理本质没有发生改变,使用PBS缓冲液体系就已经足够并且基本抓住了问题的实质,细胞培养液本身并没有对Pluronic作为可注射性材料产生过多的复杂性。我们的研究对这类材料在组织工程要药物缓释体系中的应用给出了流变学方面的建议。
　　 2.考察了PEG均聚物对PEG/PLGA嵌段聚合物和PEO-PPO-PEO(PluronicF127)三嵌段聚合物水溶液凝胶化过程的不同影响,并提出了相应的模型。并发现PEG均聚物在这两类体系中扮演了不同的“角色”。我们还提出了不相容机理和有序干扰机理以及凝胶内部结构是造成这种不同影响的根本原因,揭示了两类体系之间的统一性与差异性。我们的研究指出:PEG均聚物的加入可以作为调节这两类材料应用温度的一种十分简便有效的方法。此外,我们还对PLGA-PEG-PLGA体系流变学性能的研究并对我们课题组提出的关于其凝胶化的胶束-网络-粗大化机理给出了流变学方面的佐证。
　　 3.实验验证了聚丙烯酰胺水凝胶的模量对于细胞黏附具有影响。尝试并成功制备了表面模量呈“图案”排列的聚丙烯酰胺水凝胶。初步研究了细胞在软硬区域内的分布和在软硬界面上的取向问题,发现细胞从较硬区域向较软区域移动时采用与软硬界面平行的取向而从较软区域向较硬区域移动时采用与软硬界面垂直的取向,验证了文献中的理论结果。