高分子两性离子水凝胶的制备与表征

论文总字数：21941字

摘 要

本课题采用氨基酸接枝制备了一种新型两性离子硅氧烷水凝胶，以提高抗蛋白沉积性能，探索其在角膜接触方面的应用。以有机硅单体与N，N-二甲基丙烯酰胺（DMA）、3-甲基丙烯酸酯氧丙基三（三甲基硅氧烷基）硅烷（TRIS）和甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）为原料，采用平板模压成型，交联制备硅水凝胶基材，然后利用基材中的环氧基团与一系列氨基酸进行开环接枝反应制备一系列氨基酸两性离子硅水凝胶。分别进行含水率、表面静态接触角、透光性、力学性能、细胞毒性、抗蛋白粘附等性能表征。结果表明，接枝天冬氨酸的新型两性离子硅水凝胶亲水性优异，除力学性能稍差外，透光性、细胞毒性、抗蛋白粘附性能与接枝其他氨基酸的材料差异不大。

关键词：两性离子；水凝胶；氨基酸；抗蛋白黏附

Abstract

 In this paper, a new type of zwitterionic siloxane hydrogel was developed, which was designed to satisfy the requirements of corneal contact lenses. The novel zwitterionic siloxane hydrogels was prepared by crosslinking copolymerization of SiMonomer, N, N-dimethylacrylamide (DMA), 3 - methyl acrylate epoxy propyl three (3 methyl siloxane) silane (Tris) and methyl acrylate glyceride (GMA) followed by grafting with 8 kinds of L-α-amino acids by ring opening reaction of the epoxy groups from GMA with the primary amine groups of amino acids. The zwitterionic surface were obtained by protonation of secondary amino groups and deprotonation of carboxyl groups in the vicinity of pH 7. The analysis of the change of contact angle of zwitterionic hydrogel, protein adsorption amount and water content, confirmed the successful immobilization of amino acid on substrate. The hydrogels were further characterized by surface static contact angle, transmittance of visible light, mechanical properties, cytotoxicity, anti-protein adhesion performance testing. The results show that the zwitterionic siloxane hydrogels grafted asparagus amino acid have excellent hydrophilicity, while no significant differences in transmittance of visible light, cytotoxicity and anti-protein adhesion performance was observed in comparison with other amino acids grafted hydrogels.

Keywords: zwitterion； hydrogel；amino acid；antifouling;

目录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 水凝胶概述 1

1.1.1 水凝胶的分类 1

1.1.2 水凝胶的制备方法 2

1.1.3 水凝胶在生物医学工程中的应用 3

1.2 两性离子水凝胶 4

1.2.1 两性离子水凝胶的应用 5

1.2.2 氨基酸接枝的两性离子水凝胶的研究 5

1.3 硅水凝胶材料 7

1.4 本课题的研究目的和主要研究内容 7

第二章 高分子两性离子水凝胶的制备和表征 9

2.1 实验 9

2.1.1 原料及实验仪器 9

2.1.2 高分子两性离子水凝胶的制备 10

2.1.3 基于氨基酸两性离子水凝胶的表征 12

2.2 结果与讨论 13

2.2.1 氨基酸两性离子水凝胶的设计原理 13

2.2.2 ATR-FTIR 15

2.2.3 亲水性 15

2.2.4 光学性能 17

2.2.5 力学性能 17

2.2.6 抗蛋白粘附性能 18

2.2.7 细胞毒性 19

2.3 结论 20

参考文献 21

致谢 23

1. 绪论

1.1 水凝胶概述

水凝胶，又称为高吸水性树脂，是一类能够快速溶胀吸收并且保持大量水分而又不溶解于水的适度交联的新型聚合物材料。通常水凝胶材料具有三维网状结构，化学性质稳定，是一类集吸水、保水、缓释于一体且发展迅速的功能高分子材料^[1]。水凝胶材料含有大量水分、柔软、化学性质稳定，生物相容性好，因而引起广大研究学者极大的兴趣与关注。

1.1.1 水凝胶的分类

水凝胶材料的种类非常多，根据不同标准有不同的分类方法。最常见的分类方法有以下几种^[2-3]：（1）按照构成水凝胶的原料来源不同，可以将水凝胶划分为合成高分子水凝胶和天然高分子水凝胶两大类。合成高分子水凝胶是指通过人工合成的方法得到交联高分子，再让其吸水溶胀而成为水凝胶材料。天然高分子水凝胶是由天然高分子材料中的蛋白质或多糖等构成的，如k2型角叉菜胶、蛋白质，琼脂、壳聚糖等。（2）按照水凝胶网络键合方式的不同，可分为物理凝胶和化学凝胶。物理凝胶是通过物理作用力如氢键作用，静电引力作用，链的缠绕等形成的，化学凝胶是通过化学键交联形成的三维网络聚合物，其性质较物理凝胶稳定。（3）按照水凝胶对外界刺激的响应情况不同，又可以将水凝胶划分为传统的水凝胶和环境敏感的水凝胶。传统水凝胶对周围环境的变化不敏感，几乎不对外界环境如光、电、压力、温度，pH值等的变化而产生变化，而环境敏感型水凝胶则是自身能够感知外界环境的细微变化和刺激，并且能够产生相应的物理结构和化学性质的明显变化甚至突变的一类高分子水凝胶材料。这种类型的水凝胶显著特点是在对环境的响应过程中其溶胀行为有明显的变化。通过利用水凝胶的这种刺激响应特性可将其用做传感器、控释开关、智能药物释放等（4）根据水凝胶分子链上是否带有电荷及所带电荷性质的可以分为中性水凝胶( A) 、 阴性水凝胶(B) 、阳性水凝胶(C) 和两性水凝胶(D) ，其结构如图1.1 所示：

（A） （B）

（C） （D）

图1.1 水凝胶分子链带电情况分类

1.1.2 水凝胶的制备方法

根据水凝胶交联方法的不同，水凝胶的制备可以分为物理交联法、化学交联法、酶交联法3种。对于通过分子链间的作用力如亲疏水作用、静电引力作用、氢键作用等进行分子链间的交联形成的称为物理交联水凝胶。物理法交联法制备的水凝胶是非永久性的，或称为假凝胶或热可逆凝胶，即可以通过改变水凝胶所处的物理环境（光、电、压力、PH、温度、离子强度）而使其结构遭到破坏^[4]。化学交联法即为在化学交联剂或引发剂的作用下，制备水凝胶材料的起始原料通过化学键结合形成具有三维网络结构的聚合物，其形成过程是不可逆的。化学交联法制备水凝胶材料的主要方式有单体交联聚合、接枝聚合和水溶性高分子交联聚合等，其中单体交联聚合是当前制备水凝胶的主要方式之一^[5-6]。

（1）单体交联聚合法

单体交联聚合法制备水凝胶是一种或多种单体在交联剂和引发剂存在下经自由基聚合来完成的。这是一种得到研究广泛且深入的水凝胶制备方法，如聚甲基丙烯酸羟乙酯(pHEMA)水凝胶的制备^[7]。20世纪50年代后期，捷克的Wiehrtrle第一个采用此种方法，通过交联剂双甲基丙烯酸乙二醇酯作用将甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）制备成医用水凝胶材料^[8]。

（2）接枝聚合法

接枝聚合发即通过基材产生自由基，将单体以共价键形式连接到其上，从而制备具有一定力学强度的水凝胶材料，或者是将含有双键的α-烯烃类单体与天然的高分子(如淀粉，纤维素等)及它们的衍生物接枝聚合得到^[7]。俞玫^[9] 就是通过接枝聚合反应制得了壳聚糖接枝聚丙烯酰胺水凝胶，其中他使用的自由基引发剂为过硫酸钾，交联剂可以是亚甲基双丙烯酰胺或甲醛作。这种水凝胶表现出对离子强度、pH值和温度的敏感性，有望用作药物释放载体。

（3）水溶性高分子交联法

水溶性高分子交联法即是基于水溶性的高分子如聚乙烯醇(PVA)，聚丙烯酰胺(PAM)，聚内烯酸(PAA)，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等分子，由于分子中羟基、羧基、氨基等的存在使之能够溶解在水中，并且能够发生二次交联反应，通过控制二次反应程度在高分子链间形成共价键制得水凝胶材料^[7]。

酶交联法即利用生物酶有效的催化蛋白质或含有氨基酸残基的多肽进行生化反应，形成肽键交联的蛋白质或多肽网络，键合引入酚羟基的多糖大分子可以通过氧化酶和过氧化氢催化酚羟基氧化交联形成多糖大分子网络，进而形成水凝胶。目前，已经报道的被用于合成高分子的酶有谷氨酰胺转氨酶（mTG）、酪氨酸酶、辣根过氧化物酶等^[10]。酶交联法由于使用的是具有良好生物相容性的酶来催化交联，不使用化学交联剂、引发剂等，因此得到的水凝胶材料具有优异的生物相容性，几乎无细胞毒性。但是由于单个酶催化交联制备的水凝胶力学强度较差，通常只能作为注射材料，限制了其在生物医用领域的推广应用。Kurisawa等人^[11]通过碳二亚胺介导发生偶联反应把酪胺（Tyramine）接枝到透明质酸（HA）上，在H₂O₂存在时，辣根过氧化物酶催化透明质酸-酪胺（HA-Tyr）交联形成可注射水凝胶，实验结果表明该水凝胶在药物释放系统和组织再生领域具有极大的应用价值。

1.1.3 水凝胶在生物医学工程中的应用

水凝胶作为一种软性高分子材料，其性能由高分子网状结构及其所吸收的水共同决定的，人和动物体内的许多组织都具有水凝胶结构。正是由于水凝胶具有类似于生命组织的结构，水凝胶材料通常具有良好的生物相容性，因此被广泛应用于生物医学工程领域，如药物缓释载体，组织工程支架材料，人工皮肤及伤口敷料，角膜接触镜等^[7]。

（1）药物缓释载体

水凝胶材料具有特殊的网状结构，因此可将药物包埋在水凝胶内部，减慢药物释放速率，因此可以将水凝胶材料用作药物缓释的载体。而经过合理设计合成的具有环境敏感特性的智能水凝胶材料可以实现药物的智能释放，从而实现高效治疗疾病的预期^[7]。目前，研究报道关于智能水凝胶药物释放系统的文章已经不鲜见。Horbett^[12]研究过一种有效的胰岛素释放体系。他首先制备由碱性化合物N，N-二甲基乙醇胺甲基丙烯酸酯和甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）共聚得到的凝胶膜，然后将葡萄糖氧化酶和胰岛素包埋在其中形成释放体系。当葡萄糖扩散到凝胶中与葡萄糖氧化酶发生反应生成葡萄糖酸后，利用酸使凝胶中的碱性基团质子化，随着反应的进行凝胶中带电的位点增多，从而产生静电排斥作用使凝胶溶胀增加，提高凝胶膜的渗透性，致使胰岛素可以扩散出去，当不存在葡萄糖时，水凝胶则不溶胀，进而实现有效的胰岛素释放系统。水凝胶作为兼具药物储存、控制释放速率和驱动释放三重功能于一身，未来具有良好的研究空间和应用价值。

（2）组织工程支架材料

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