基材通用型细胞膜和贻贝粘附双仿生抗生物污染涂层的构建及性能研究

来源 :西北大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:aiyang1983
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蛋白质、血小板、细菌等生物污染物在生物医用材料表面的吸/粘附,严重制约了材料的临床应用,甚至会威胁到人体的生命安全。目前,最常用且简单易行的实现抗生物污染的方法主要是以亲水性聚合物涂层为表面改性剂,将其涂覆固定于基底材料表面,通过控制界面来实现抗生物污染效果。但是此类聚合物都具有高度的水溶性,要将其固定到基材表面就需要在聚合物结构和/或基底材料表面引入一些具有特定相互作用基团,这就限定了可改性材料的类型只能是少数几种,也限制了改性方法的推广应用。因此,发展一种简单且对基材通用的功能界面的构建方法是至关重要的。受贻贝类生物万能粘附作用的启发,邻苯二酚基团作为一种不受基材限制的万能粘附分子活跃于表面改性的领域,可靠其自粘附作用将其结合的分子固定于各类基材表面,为亲水、疏水甚至含氟材料表面的改性提供了一种通用的共性方法。本文从贻贝仿生粘附的角度出发,设计合成了不同类型的仿细胞膜结构聚合物,建立了简单方便、不同基材通用的表面改性方法,并对改性涂层的抗生物污染性能进行了系统研究。主要包括以下四方面的内容:(1)首先通过表面等离子体共振技术(surface plasmon resonance,SPR)对多巴胺自聚形成聚多巴胺(polydopamine,PDA)涂层的过程进行了实时监测,考察了多巴胺初始浓度、溶液pH、涂层形成时间等对涂层性能的影响,为得到厚度可控的PDA涂层提供了理论指导。同时研究了不同厚度的PDA涂层上蛋白质、血小板、细胞、细菌等生物污染物的吸/粘附量,发现生物污染物在PDA涂层表面呈现出一定的厚度依赖性,随厚度的增加吸/粘附量也相应增加,这与其表面相应增加的反应活性官能团有关。进而对PDA涂层进行FeCl3络合、NaIO4氧化和空气相中高温加热等简单的处理,傅里叶变换衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)和X-射线光电子能谱(XPS)结果表明处理之后的PDA涂层中,反应活性基团数量明显降低,相应的蛋白质吸附量、血小板、细胞和细菌粘附量也大幅度降低。但由于PDA自身的苯环、π-π共轭等结构不可被完全消除,故通过改变表面官能团含量的方式来提高其抗生物污染的效果有限。(2)采用自由基引发共聚合成了甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱-对硝基苯氧甲酰甲基丙烯酸乙酯二元随机共聚物(poly(MPC-co-NPECMA),PMEN)。先以浸涂法在玻璃、硅片、不锈钢、聚碳酸酯、聚丙烯、金膜和聚四氟乙烯基材表面形成PDA介导层,之后通过简单的浸涂或旋涂法在PDA介导层上涂覆PMEN聚合物。聚合物侧链的对硝基苯氧甲酰活性酯基团与PDA介导层中的氨基发生酰胺偶联反应,从而将PMEN聚合物固定于表面,自动形成仿细胞外层膜结构的涂层,即PDA/PMEN涂层。蛋白质吸附、血小板粘附、L929成纤维细胞粘附和三种常见致病菌(大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌)粘附结果表明,PDA/PMEN涂层能显著降低这些生物污染物在改性表面的吸/粘附量。(3)以多臂PEG为主体分子,在其臂末端引入不同含量的磷酰胆碱(PC)和邻苯二酚(c)基团,合成了三种比例的磷酰胆碱和/或邻苯二酚双仿生改性多臂PEG(PEG-2c-23PC、PEG-6c-23PC和PEG-8c)。通过邻苯二酚基团的自粘附作用,在滴涂条件下将三种双仿生改性多臂PEG固定于亲水的玻璃片基和疏水的聚碳酸酯片基表面。动态接触角、XPS、ATR-FTIR和原子力显微镜(AFM)表征提供了涂层表面的亲疏水性、化学基团、元素组成及形貌信息,证实了磷酰胆碱和/或邻苯二酚双仿生改性多臂PEG涂层成功固定于基材表面。蛋白质吸附、血小板粘附和MTT细胞毒性实验结果表明,这种自粘附得到的双仿生改性多臂PEG涂层可在一定程度上提高材料的生物相容性,但由于双仿生改性多臂PEG中邻苯二酚粘附基团数量有限,且聚合物是高度水溶性的,致使得到的涂层厚度较薄,故这种双仿生多臂PEG涂层的构建方法及相应的生物性能还有改进和提高的空间。(4)采用PDA介导的方法对磷酰胆碱和/或邻苯二酚双仿生改性多臂PEG涂层的构建方法进行了优化,分别在玻璃、不锈钢、聚碳酸酯、金膜、聚四氟乙烯表面构建了 PDA介导的磷酰胆碱和/或邻苯二酚双仿生改性多臂PEG涂层。静态接触角、XPS和AFM表面形貌及厚度表征信息证实了涂层的构建是成功的。各个表面的SPR蛋白质吸附曲线、血小板粘附SEM图、细胞及细菌粘附荧光图等结果表明,PDA介导的双仿生改性多臂PEG涂层表现出优异的抗生物污染效果;吸/粘附量的数据统计结果表明,引入磷酰胆碱基团的PDA/PEG-2c-23PC和PDA/PEG-6c-23PC涂层对蛋白质、血小板、细胞和细菌的抑制吸/粘附效果均明显优于单纯的多臂PEG涂层(PDA/PEG-8c)。此外,在聚合物结构中磷酰胆碱基团含量相同的情况下,邻苯二酚含量更低的PDA/PEG-2c-23PC涂层抗生物污染效果更好,这与邻苯二酚基团会促进蛋白质、血小板、细胞和细菌等的结合有关。
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