亲水性支化聚合物抗污涂层的制备及应用研究

摘要

生物分子（蛋白质、血小板、细胞等）在材料表面的非特异性吸附（生物污染）会降低材料的使用性能。在材料表面修饰上抗污聚合物涂层，是一种最为常用的降低生物分子与表面相互作用的方法。对于抗污聚合物涂层，其表面的聚合物链密度是决定其抗污性能的关键因素之一。此外，有研究表明，在同一接枝密度下，支化聚合物比线形聚合物具有更高的表面覆盖度，更好的抗污性能。因此，本论文重点研究了亲水性支化聚合物抗污涂层的制备和应用，探索聚合物结构与性能之间的关系。主要开展了以下工作:
　　(1)合成了一系列具有不同聚乙二醇(PEG)接枝率的亲水性多臂星形共聚物超支化聚乙烯亚胺接枝聚乙二醇（PEI-g-PEG）和末端为氨基的线形聚合物PEG2000-NH2。通过与聚多巴胺(PDA)涂层表面的化学反应，分别制备了星形及线形PEG涂层。并对涂层表面的聚合物接枝密度和PEG链密度进行了定量研究。结果表明，星形PEG涂层表面的聚合物接枝密度随着聚合物中PEG接枝率的增加而减小。然而，其表面的PEG链密度却随着PEG接枝率的增加而增大，并在PEG接枝率高于10时，表面的PEG链密度超过线形PEG涂层。此外，蛋白吸附实验表明，涂层的抗蛋白质吸附性能与其表面的PEG链密度成正比。PEG链密度越高，涂层表面的抗蛋白质吸附能力越强。最后，成功地将星形PEG涂层涂覆到熔融硅毛细管内壁，并采用毛细管电泳仪对四种碱性蛋白质的混合物实现了有效分离。
　　(2)作为聚醚，PEG在生物体中容易被氧化而发生断链，影响其长期使用。研究发现，相比于PEG，类多肽结构的聚（2-甲基-2-噁唑啉）(PMOXA)具有优异的生物相容性、抗污性能和生理稳定性。因此我们设计合成了一系列结构明确，具有不同PMOXA接枝率和链长（分子量）的多臂星形共聚物超支化聚乙烯亚胺接枝聚（2-甲基-2-噁唑啉）(PEI-g-PMOXA)。聚合物细胞毒性实验表明线形PMOXA-OH无细胞毒性。而对于PEI-g-PMOXA，其细胞毒性随着PMOXA接枝率和链长（分子量）的增加而降低。通过采用多巴胺辅助共沉积法，我们快速地制备了PMOXA/PDA涂层。结果表明，基于多臂星形共聚物PEI-g-PMOXA的涂层比相应线形PMOXA聚合物涂层拥有较高的表面PMOXA链密度，更加均匀的表面结构和更好的抗污性能。此外，PMOXA/PDA涂层表面的抗污性能取决于涂层表面的PMOXA链密度，并受到聚合物中PMOXA接枝率和链长（分子量）的控制。随着PMOXA接枝率和链长（分子量）的增加，表面PMOXA链密度增加，抗污性能也随之增加。最后，稳定性测试结果表明，基于PMOXA的抗污涂层比相同结构下的PEG抗污涂层在长期应用中表现出较好的稳定性。
　　(3)前面展开的工作都是对基于超支化聚乙烯亚胺的多臂星形共聚物的研究，所采用的商业PEI分子量及支化度（DB，degree of branching）较为单一。此外，PEI分子在生理缓冲液(PBS，pH7.4)下对蛋白质会有强烈的吸附。因此，我们希望能够得到具有支化度可调节的支化形聚合物，从而进一步研究支化度对其所形成涂层表面组成和抗污性能的影响。我们首先合成了带有双键的功能型RAFT试剂S-4-乙烯基苄基-S'-丙基三硫代碳酸酯(VBPT)，然后与聚（2-甲基-2-噁唑啉）丙烯酸酯大分子单体(PMeOxA)进行RAFT-SCVP超支化共聚合反应。并通过改变单体的投料比，合成了一系列具有不同支化度的亲水性超支化聚合物poly(PMeOxA-co-VBPT)。采用多巴胺辅助共沉积法，成功地将聚合物沉积到基底（硅片、金片和玻璃片）表面。并详细的研究了涂覆条件和聚合物结构（线形、超支化）对所形成涂层表面组成、润湿性以及抗污性能的影响。研究表明，涂层表面的PMeOx链密度受到超支化聚合物的支化度和PMeOx组分含量的共同影响。随着支化度的降低（PMeOx含量增加），涂层表面的PMeOx链密度逐渐增大。在达到极值PMeOxA(3)-co-VBPT(1)/PDA后，由于支化度较低，涂层表面的PMeOx链密度开始下降。此外，超支化聚合物所形成涂层表面的PMeOx链密度均高于线形PMeOx-OH涂层。抗污实验表明，涂层的抗污性能与其表面的PMeOx链密度成正比，表面PMeOx链密度越高，抗污性能越好。其中PMeOxA(3)-co-VBPT(1)/PDA涂层能够阻抗表面～98.7％的蛋白质吸附，～99.0％的细胞黏附以及～98.5％的血小板吸附。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 抗污机理

1．3 抗污聚合物分类

1．3．1 聚乙二醇与超支化聚缩水甘油醚

1．3．2 两性离子聚合物

1．3．3 多肽及其类似物

1．3．4 聚羟基功能化(甲基)丙烯酸类

1．3．5 天然高分子材料

1．3．6 含硅、含氟材料

1．3．7 其他抗污聚合物

1．4 抗污聚合物涂层的分类和制备方法

1．4．1 非共价键合涂层

1．4．2 共价键合涂层

1．5 聚多巴胺涂层的研究进展

1．5．1 聚多巴胺涂层的发现

1．5．2 聚多巴胺的结构和形成机理

1．5．3 聚多巴胺涂层的应用

1．6 支化聚合物在抗污涂层中的应用

1．7 本论文的主要研究工作

参考文献

第二章 星形聚乙二醇涂层的制备：其抗蛋白质吸附性能的研究及在蛋白分离中的应用

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂及纯化

2．2．2 实验仪器

2．2．3 多臂星形共聚物超支化聚乙烯亚胺接枝聚乙二醇(PEI-g-PEG)的合成

2．2．4 涂层的制备

2．2．5 抗蛋白质吸附性能的测试

2．2．6 涂层毛细管的制备及蛋白质的分离

2．3 结果与讨论

2．3．1 聚合物的结构表征

2．3．2 聚合物涂层的表征

2．3．3 抗蛋白质吸附性能的研究

2．3．4 蛋白质的毛细管电泳分离

2．4 本章小结

参考文献

第三章 星形聚(2-甲基-2-噁唑啉)涂层的快速制备及聚合物结构对其抗污性能的影响

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂及纯化

3．2．2 多臂星形共聚物超支化聚乙烯亚胺接枝聚(2-甲基-2-噁唑啉)(PEI-g-PMOXA)的合成

3．2．3 聚合物的表征

3．2．4 涂层的制备

3．2．5 涂层表征

3．2．6 细胞毒性实验

3．2．7 抗污性能测试

3．2．8 稳定性测试

3．3 结果与讨论

3．3．1 多臂星形共聚物PEI-g-PMOXA的合成

3．3．2 PMOXA／PDA涂层的制备及表征

3．3．3 聚合物结构对涂层的影响

3．3．4 沉积动力学研究

3．3．5 聚合物涂层的形貌研究

3．3．6 润湿性和抗非特异性蛋白质吸附性能的研究

3．3．7 抗血小板吸附性能

3．3．8 细胞毒性

3．3．9 抗细胞黏附性能

3．3．10 稳定性测试

3．4 本章小结

参考文献

第四章 超支化聚(2-甲基-2-噁唑啉)涂层的制备及其抗污性能的研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 试剂及纯化

4．2．2 聚合物的合成

4．2．3 聚合物的表征

4．2．4 涂层的制备

4．2．5 涂层表征

4．2．6 涂层抗污性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 聚合物的合成

4．3．2 聚合物涂层的制备及表征

4．3．3 聚合物结构对涂层的影响

4．3．4 润湿性和抗蛋白质吸附性能的研究

4．3．5 抗血小板吸附

4．3．6 抗细胞黏附

4．4 本章小结

参考文献

第五章 结论

致谢

博士期间已发表和待发表的论文