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仿细胞膜结构聚合物的合成及其应用研究

作　者: 杨珊
导　师: 宫永宽
学　校: 西北大学
专　业: 化学
关键词: 磷酰胆碱仿细胞膜结构可交联聚合物表面改性血液相容性
分类号: O631.3
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着现代医学的飞速发展,如医用导管、血管支架、传感器、心脏辅助设备等各种微创介入医疗装置已广泛地应用到各种医疗技术中,极大地丰富了现代医学诊疗手段。然而在临床应用中,现有的装置依然不同程度地存在感染、凝血以及其它的免疫副反应,这些问题给患者带来极大的痛苦,增加了医疗费用,有时还需要再次手术。设计生物相容性(包括血液相容性和组织相容性)生物医用材料是解决这些问题的有效途径。不幸的是,本体性质良好又生物相容性好的材料几乎没有。由于植入体内的生物材料是表面与体内组织相接触,于是表面改性就成为了解决上述问题的关键途径。20世纪八十年代前后,同本的Nakabayashi N研究组和英国的Chapman D研究组分别较早的提出仿细胞外层膜结构进行材料表面改性的方法,即用含磷酰胆碱基团的聚合物对材料表面改性。磷酰胆碱(PC)基团是磷脂双分子层外层膜磷脂(卵磷脂)的亲水头部,研究表明,带有等量正负电荷的PC基团是血红细胞外层膜抗凝血的原因。目前,含PC基团的聚合物的研究在各个领域都迅速扩展,例如材料表面改性、药物控释、化妆品等。本论文从设计仿外层膜结构的表/界面出发,主要合成了含磷酰胆碱基团的新型可交联型聚合物涂层材料,提出仿细胞外层膜结构聚合物涂层表面结构调控及固定方法,在材料表面构建了仿细胞外层膜结构。以此为核心开展了如下的研究工作:以三氯氧磷和氯化胆碱为原料,用非均相一步法合成了含磷酰胆碱基团的活性化合物二氯磷酰胆碱,并将二氯磷酰胆碱用于玻璃的表面改性。动态接触角(DCA)和X射线光电子能谱(XPS)分析表明,二氯磷酰胆碱对玻璃表面改性成功,这为材料表面仿细胞膜结构改性提供了新途径。为深入研究二氯磷酰胆碱的合成条件及定量测定,本文改进了磷酸电位滴定法。改进的磷酸电位滴定法能够快速、准确的完成对磷酸及磷酸酯/盐混合物组分的定量分析,对磷酸酯/盐类的合成及应用具有一定的指导意义。研究了重要聚合单体2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱(MPC)的合成路径,对传统合成方法的实验装置进行了改进,使每步的合成产率都得到较大提高。探索了合成MPC的两条新途径,通过对合成的MPC均聚物和共聚物的元素、IR、~1H NMR进行测试,间接证明了新合成路线可行。然而,新路线合成的MPC在分离纯化方面的问题有待进一步解决。以MPC、甲基丙烯酸十八烷基酯(SMA)及可交联的γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅(TSMA)为单体,通过自由基引发随机聚合得到一种可交联的仿生医用涂层材料PMST。通过对PMST及系列参比聚合物进行~1H NMR、衰减全反射红外(ATR-IR)、DSC、临界胶柬浓度(CMC)、分子量等测试,选出PMST20(TSMA含量20mol%)来对盖玻片进行表面改性。分别用涂覆和LB膜方式制备涂层,重点研究了涂覆方式制备的涂层表面仿细胞外层膜结构调控及固定的方法。用表面界面张力仪、原子力显微镜(AFM)、XPS,分别对亲、疏水固定处理前后的表面进行了DCA、表面形貌、表面元素组成的测试。结果表明,亲水与疏水处理后的表面,在理化性质上存在很大差异。血小板黏附和蛋白吸附实验表明,PMST20涂层的血液相容性良好,亲水处理后的表面血液相容性更好。用涂层表面仿细胞外层膜结构调控及固定的方法,可以最大限度地发挥仿细胞膜结构聚合物的生物相容性,为提升生物医用材料及器件的应用性能提供了理论基础。另外,由于PMST含有可交联基团和亲、疏水基团,且具有较低的临界胶束浓度,可望成为制备新型稳定的高分子纳米载药胶束的新材料。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-8
目录  8-13
第一章绪论  13-52
  1.1 生物材料与生物相容性  13-18
    1.1.1 生物医用材料的分类  13-14
    1.1.2 生物医用高分子材料  14-16
    1.1.3 生物医用材料的生物相容性  16-18
  1.2 医用材料表面的血液相容性设计  18-24
    1.2.1 医用材料的研究现状及血液相容性问题  18
    1.2.2 血小板黏附和凝血机理  18-20
    1.2.3 生物医用材料的血液相容性评价  20-21
    1.2.4 生物医用材料表面改性  21-24
      1.2.4.1 表面接枝改性  21-22
      1.2.4.2 等离子体表面改性  22-23
      1.2.4.3 离子注入表面改性  23
      1.2.4.4 分子自组装  23-24
      1.2.4.5 表面涂覆  24
  1.3 基于细胞膜仿生的磷酰胆碱技术  24-28
    1.3.1 细胞膜的组成  25-26
    1.3.2 细胞膜的结构  26-27
    1.3.3 PC技术  27-28
  1.4 磷酰胆碱基仿生生物材料的研究进展  28-37
    1.4.1 磷酰胆碱基仿生生物材料的研究状况  29-37
      1.4.1.1 接枝磷酰胆碱基团进行材料表面改性的研究  30-32
      1.4.1.2 含磷酰胆碱基团的聚合物在材料改性方面的研究  32-37
    1.4.2 磷酰胆碱基仿生生物材料的应用及展望  37
  1.5 课题的提出与研究思路、研究内容  37-40
  参考文献  40-52
第二章二氯磷酰胆碱的合成、表征及其对盖玻片的表面改性  52-76
  2.1 引言  52
  2.2 实验部分  52-58
    2.2.1 仪器与试剂  52-54
    2.2.2 二氯磷酰胆碱的合成  54-55
    2.2.3 二氯磷酸乙酯的合成  55
    2.2.4 单丁基磷酸酯的合成  55
    2.2.5 磷酸及其酯(盐)组分的测定  55-56
      2.2.5.1 测定原理  56
      2.2.5.2 测定方法  56
    2.2.6 盖玻片表面键合二氯磷酰胆碱及其表征  56-58
      2.2.6.1 不同的改性途径  56-58
      2.2.6.2 DCA测试  58
      2.2.6.3 XPS测试  58
  2.3 结果与讨论  58-72
    2.3.1 沉淀剂用量对磷酸及其盐/酯溶液滴定结果的影响  59-62
      2.3.1.1 CaCl_2作沉淀剂  59-60
      2.3.1.2 AgNO_3作沉淀剂  60
      2.3.1.3 沉淀剂的最佳用量  60-61
      2.3.1.4 磷酸酯/盐的滴定分析  61-62
    2.3.2 二氯磷酰胆碱合成条件及含量的分析  62-63
    2.3.3 二氯磷酰胆碱合成产物的表征  63-67
      2.3.3.1 红外光谱  64
      2.3.3.2 ~1H NMR  64-65
      2.3.3.3 ~(31)P NMR  65-66
      2.3.3.4 元素分析结果  66
      2.3.3.5 热分析结果  66-67
    2.3.4 二氯磷酸乙酯和单丁基磷酸酯的表征  67-68
    2.3.5 盖玻片表面改性结果与讨论  68-72
      2.3.5.1 DCA结果  69-70
      2.3.5.2 XPS结果  70-72
  2.4 本章小结  72-73
  参考文献  73-76
第三章 2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱的新合成方法研究  76-86
  3.1 引言  76-77
  3.2 实验部分  77-80
    3.2.1 仪器与试剂  77-78
    3.2.2 MPC传统合成方法的改进  78
    3.2.3 MPC的新合成方法  78-79
      3.2.3.1 MPC的新合成路线一  78-79
      3.2.3.2 MPC的新合成路线二  79
    3.2.4 P(MPC-co-BMA)的合成  79-80
    3.2.5 P(MPC)的合成  80
  3.3 结果与讨论  80-84
    3.3.1 传统方法合成MPC方法的改进  80-82
    3.3.2 聚合物的分析讨论  82-84
      3.3.2.1 元素分析  82-83
      3.3.2.2 红外分析  83-84
      3.3.2.3 核磁共振分析  84
  3.4 本章小结  84-85
  参考文献  85-86
第四章含磷酰胆碱基团的二元聚合物的合成及表面性质研究  86-95
  4.1 引言  86
  4.2 实验部分  86-89
    4.2.1 仪器与试剂  86-88
    4.2.2 二元共聚物的合成  88-89
      4.2.2.1 P(MPC-co-SMA)的合成  88
      4.2.2.2 P(MPC-co-LMA)的合成  88-89
      4.2.2.3 P(MPC-co-BMA)的合成  89
    4.2.3 共聚物涂层的制备  89
  4.3 结果与讨论  89-93
    4.3.1 聚合物的表征  89-92
      4.3.1.1~1H NMR  89-90
      4.3.1.2 元素分析  90-91
      4.3.1.3 热分析  91-92
    4.3.2 聚合物涂层的亲/疏水性能测试  92-93
  4.4 本章小结  93-94
  参考文献  94-95
第五章含磷酰胆碱基团可交联聚合物仿生涂层的制备及表面结构调控  95-133
  5.1 引言  95-97
  5.2 实验部分  97-105
    5.2.1 仪器与试剂  97-99
    5.2.2 聚合物的合成  99-102
      5.2.2.1 P(MPC-SMA-TSMA)系列共聚物的合成  99-101
      5.2.2.2 参比聚合物的合成  101-102
    5.2.3 共聚物涂层的制备  102-103
      5.2.3.1 共聚物涂层的结构调整固定  102
      5.2.3.2 LB膜的制备  102-103
    5.2.4 聚合物的表征  103-104
      5.2.4.1 核磁共振  103
      5.2.4.2 红外光谱  103
      5.2.4.3 热分析  103
      5.2.4.4 临界胶束浓度  103-104
      5.2.4.5 胶束形貌观察  104
      5.2.4.6 分子量测试  104
    5.2.5 聚合物涂层的表征  104-105
      5.2.5.1 涂层表面亲疏水性  104
      5.2.5.2 表面形貌  104
      5.2.5.3 表面元素组成  104
      5.2.5.4 血液相容性评价  104-105
  5.3 结果与讨论  105-126
    5.3.1 共聚物的制备及表征  105-114
      5.3.1.1 共聚物的合成  105-106
      5.3.1.2 核磁共振分析  106-108
      5.3.1.3 红外光谱分析  108
      5.3.1.4 热分析  108-109
      5.3.1.5 临界胶束浓度分析  109-111
      5.3.1.6 胶束形貌  111-112
      5.3.1.7 分子量分析  112-114
    5.3.2 涂层的性能表征  114-126
      5.3.2.1 表面亲疏水性  114-120
      5.3.2.2 形貌分析  120-122
      5.3.2.3 XPS结果分析  122-124
      5.3.2.4 血液相容性评价  124-126
  5.4 本章小结  126-128
  参考文献  128-133
全文结论  133-134
附录  134-153
  附Ⅰ 润湿性与接触角  134-143
  附Ⅱ 蛋白质定量分析方法  143-146
  附Ⅲ 聚合物~1H NMR谱图  146-153
攻博期间取得的科研成果  153-155
致谢  155-156
作者简介  156

仿细胞膜结构聚合物的合成及其应用研究

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