气管缺损或狭窄是一种通常由气管创伤和疾病引起的高致死率疾病,对于这种疾病,目前唯一的根治方法是进行气管切除后重建。气管重建的方法包括组织工程气管和人工气管,而这两种方法都面临着气管替代物内表面纤毛上皮缺失的问题。我们知道,气道粘液-纤毛清除系统是人体重要的防御,自主摆动的纤毛将粘附了大量致病原和颗粒物的粘液推向咽部,保护气管不受到感染。而重建后的气管替代物通常缺乏有功能的纤毛上皮,将导致气管替代物内腔裸露、痰液潴留、感染、刺激肉芽组织增生致管腔狭窄,严重者将导致呼吸困难甚至死亡。为了解决这个问题,我们模仿人体呼吸道纤毛,合成出一种能够牢牢粘附在人工气管内壁的聚合物刷来替代气管纤毛。我们以丙烯酸正丁酯(n BA)、甲基丙烯酸二乙氨基乙酯(DEAEMA)作为合成单体,合成出聚(丙烯酸正丁酯-甲基丙烯酸二乙氨基乙酯)P(n BA-DEAEMA)球形聚合物刷。并对其化学组成和分子结构、成膜后表面三维结构和理化性质进行表征。除了外形结构相似,还必须满足纤毛所需要的力学要求。作为被气流和粘液不停剪切冲刷的聚合物刷,必须要满足一定条件下的剪切力测试。在足够的剪切力作用下,聚合物刷不脱落、不絮凝、不成团才能满足需求,所以我们同时检测了其在剪切力作用下的流变学性质。主要的研究内容和结果如下:①我们以丙烯酸正丁酯(n BA)、甲基丙烯酸二乙氨基乙酯(DEAEMA)作为合成单体,采用乳液聚合法,以偶氮二异丁腈(AIBN)作为引发剂,在氮气的保护下,合成出聚(丙烯酸正丁酯-甲基丙烯酸二乙氨基乙酯)P(n BA-(DEAEMA)球形聚合物刷。为了探索最佳反应条件,我们设计了以单体比例、反应温度、引发剂浓度、乳化剂用量、搅拌速度为条件的正交试验。结果发现最优化的反应条件是:DEAEMA:n BA=3.0:2.6;引发剂(AIBN)用量0.12g;搅拌速度300rpm;乳化剂用量0.62g;反应温度73℃。而单体比的极差值最大,接下来依次是引发剂用量、搅拌速度、乳化剂用量和反应温度。说明在实验条件下,合成过程中单体的比例对于反应转化率的影响最大,反应温度对反应影响不大。②以反应所得的乳液和聚合物冻干粉为研究对象,用粒径分析仪、红外和核磁共振波谱对其乳液粒径和聚合物刷化学组成和分子结构进行分析。结果发现1568cm-1处的特征吸收峰及1670-1690cm-1处C=C伸缩振动吸收峰的消失则证实了共聚的发生。核磁共振光谱数据表明,NBA和DEAEMA单体共聚合过程中进料比为1:1。我们的乳液粒径分布在10~100nm范围内,粒径较小,所以成膜的致密性良好。③聚合物成膜之后,采用电子扫描显微镜表征其三维结构,采用DSC分析仪和接触角分析仪来测定其DSC结果和亲疏水性。结果显示所合成的共聚物膜材料的接触角为102.3°,说明是一种较为疏水的材料;电子扫描显微镜的结果表明聚合物刷纤毛的尺寸约为5-10μm,与人体呼吸道纤毛的尺寸较为接近。④我们采用旋转流变仪,并配制了不同的p H值、离子强度、表面活性剂浓度和固体颗粒物浓度中的模拟粘液作为剪切力施加的主体,来表征聚合物刷成膜的稳定性。结果显示,在对模拟粘液的粘度和模量测试结果说明模拟粘液是剪切变稀型粘液,在逐渐变高的剪切速率下,粘液的粘度逐渐下降;我们所合成的粘液与人体呼吸道粘液的性质基本相仿,可以作为模拟粘液使用;而剪切速率升高,粘度下降较为均衡,没有产生较大的波动,所以在高的剪切速率下,所表衬的膜并没有发生大规模脱落或者聚集;复杂环境下如不同的p H值、离子强度、表面活性剂浓度和固体颗粒物浓度,其中离子强度对聚合物刷-粘液体系的粘度影响很小,可以忽略不计。而p H调动对粘液的粘度影响较大,在酸性条件下,体系的粘度远远大于原粘液和碱性条件,这是有两个原因,一是粘液配制所用猪胃粘液蛋白对酸性敏感,随着p H值降低而粘度增加;二是聚合物刷本身在酸性条件下,厚度增加,阻碍流体的流动。阴离子表面活性剂对聚合物刷表衬体系的粘度影响很大,这是因为阴离子表面活性剂对聚合物刷上带正电荷的叔胺基之间能形成有效的静电作用,能对聚合物刷侧链的空间结构产生影响而固体颗粒物浓度对粘液粘度的影响,添加了固体颗粒物的粘液较原粘液的粘度显著增大;随着固体颗粒物浓度升高,体系粘度反而下降。而在聚合物刷薄膜上,聚合物刷对粘液粘度的影响起到了主要作用,随着固体颗粒物浓度的上升,体系粘度也随之上升。对粘液粘度的影响聚合物刷起到了主要作用。这些结果说明,我们合成的粘液基本满足需求,而且在较大范围的剪切速率变化中,聚合物刷没有发生大规模的脱落和聚集,而且在复杂环境中的基本流变学参数也可以为后续的实验提供必要的指导。