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本论文以环氧硅氧烷接枝胶原多肽为原料,设计硅氧烷从底表面到上表面呈梯度分布的梯度结构,探索用胶原蛋白研究开发蛋白涂饰剂的基本科学问题。硅氧烷链段的低表面自由能使其在膜上表面富集,赋予膜表面良好的疏水性;膜内分布的硅氧烷赋予膜柔韧性;膜底表面富集的多肽可与皮张表面的胶原分子紧密结合,该梯度膜用于皮张涂饰将省去传统酪素蛋白涂饰剂需要甲醛交联的问题。以六甲基环三硅氧烷和烯丙基缩水甘油醚为主要原料,通过阴离子聚合及硅氢加成合成α-丁基-ω-[3-(2,3-环氧丙氧基)丙基]聚二甲基聚硅氧烷(PDMS-E),进而利用碱性条件下伯氨基与环氧的开环反应,将PDMS-E接枝到多肽分子上,获得环氧硅氧烷接枝多肽(PGG),制备PGG梯度膜。主要研究结果如下:1.表面活性剂的种类和用量显著影响伯氨基转化率。环氧硅氧烷与胶原多肽之间的反应是异相接枝反应,加入阴离子表面活性剂可降低多肽溶液的表面张力,促进二者反应。配制浓度为5%(wt)的多肽溶液,分别加入多肽质量6%的阴离子表面活性剂,包括烷基硫酸盐(烷基碳原子数:6,8,10,11,12,14,16)、烷基磺酸盐(烷基碳原子数:14,16)和十二烷基苯磺酸钠(SDBS)。研究表明多肽与上述阴离子表面活性剂之间存在复杂的非共价键相互作用,改变两相体系的界面化学性质,促进两相相容性。粘度、表面张力、扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HR-TEM)、电导率、吉布斯自由能计算等实验结果表明,对烷基硫酸钠而言,烷基链长度小于10的己、辛、葵烷基硫酸钠与多肽之间的相互作用较弱;当烷基链长度在10–16之间时,硫酸钠型表面活性剂与多肽通过静电和疏水相互作用自组装形成聚集体,其中十二烷基硫酸钠(SDS)与多肽形成球形复合物,多肽分子上的亲水链段在复合物表面有序排列,阻止了疏水内核与水分子接触,引起体系自由能下降;SDBS与多肽间存在强烈的相互作用,并引起了分子间的紧密缠结;十二烷基磺酸钠(SDSo)和十四烷基磺酸钠(STSo)都未与多肽形成结构规整的聚集体,但STSo的加入使多肽分子链呈现折叠排列,多肽分子链伸展有利于伯氨基暴露,并促使多肽水溶液的体系自由能极大降低。综上所述,阴离子表面活性剂与胶原多肽之间的非共价键相互作用使多肽链在界面伸展或卷曲,并且影响体系自由能,导致伯氨基转化率发生变化。平行实验结果表明STSo、十四烷基硫酸钠(STS)、SDS、SDBS、SDSo对伯氨基转化率的促进作用逐渐减小。确定表面活性剂为SDS,其用量为6%(ws/wg)的条件下研究了反应温度、时间、pH、物料比、物料浓度、环氧硅氧烷分子量等单因素对伯氨基转化率的影响,设计正交试验,获得优化反应条件为:温度为50±1℃,反应时间为14 h,pH=10.2,伯氨基与环氧基摩尔比为1:0.8,多肽浓度为5%(wt),Mw(环氧硅氧烷)为1000。2.静电和疏水相互作用影响PGG在膜中的自组装行为。将反应液直接浇铸到聚四氟乙烯模具上,40±1℃下干燥成膜,研究发现,各组分分子内/间复杂的相互作用决定了多肽的超分子结构,影响聚合物的相行为。HR-TEM、SEM、光学显微镜(LM)、原子力显微镜(AFM)揭示了一个有趣的现象:成膜过程中,PGG自组装行为被SDS和STSo分子精确地调节。SEM图像显示,PGG/SDS膜的表面和内部都存在球形聚集体,但PGG/STSo膜的表面和内部却观察到六角相堆积结构。将反应液滴加到载玻片上,以LM观察聚集体结构变化,结果显示,随观测时间增加,PGG/SDS反应液中球形聚集体的形态和尺寸没有发生明显的变化,但PGG/STSo反应液中球形聚集体的形态呈现一个连续地转变:球形→树枝状→蝶形→六角相堆积,激光共聚焦显微镜(CLSM)表征结果也证实这一形态转变现象的存在。衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)结果表明SDS和STSo影响多肽的二级结构,AFM结果显示SDS和STSo影响多肽和PGG的堆积结构。上述研究结果表明,SDS、STSo与多肽之间的静电和疏水相互作用导致PGG形成多样化的固态结构。3.以溶剂辅助大分子自组装法制备得到梯度膜。将PGG/SDS反应液冷冻离心,取出中间层,加入2倍体积的水,50±1℃下磁力搅拌4-6 h后,再混入少量多肽;制作厚度~15μm的多肽基底,将混合液滴加到多肽基底上,再分别加入约20倍体积的二元混合溶剂水/乙醇、水/丙酮和水/四氢呋喃,静置12 h后,以液氮冷却该样品后经冷冻干燥12 h得到相应薄膜。AFM和TEM结果表明,多肽在水/乙醇混合溶剂中形成四边形聚集体,随着乙醇体积增加,四边形聚集体尺寸发生变化,并且当V乙醇:V水=3:1时,部分多肽自组装形成环形结构;PGG在水/乙醇混合溶剂中形成核-壳结构聚集体,当V乙醇:V水=3:1时,聚集体结构规整、尺寸均一。但在水/丙酮和水/THF混合溶剂中,多肽和PGG都未形成有序聚集体。上述结果表明乙醇与多肽的分子间氢键是影响多肽和PGG自组装行为的关键因素。在水/乙醇混合溶剂中制备的PGG膜,XPS揭示硅氧烷链段充满薄膜表面,当V乙醇:V水=3:1时,乙醇与硅氧烷的分子间氢键最强,说明此条件下体系达到热力学平衡状态。扫描电子显微镜-能量色散谱仪(SEM-EDS)连续线扫描结果表明,V乙醇:V水=3:1时,形成Si含量从上表面到下表面呈现梯度分布的薄膜;HR-TEM切片分析结果表明,受基底吸引作用,多肽环形聚集体向基底迁移;受硅氧烷链段的低表面自由能驱动,核-壳聚集体向气-液面迁移,经过12 h的分散平衡,形成组分梯度结构。动态力学拉伸仪、示差扫描量热仪和接触角测试结果表明,梯度膜具有良好的柔韧性以及表面疏水性。该梯度膜的结构和性能均达到本论文预期设计目标。