CN102040742B

CN102040742B - 一种具有抗蛋白吸附性质的表面材料及其制备方法

Info

Publication number: CN102040742B
Application number: CN2010105313023A
Authority: CN
Inventors: 许凤玲; 张金伟; 蔺存国
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2010-10-23
Filing date: 2010-10-23
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2030-10-23
Also published as: CN102040742A

Abstract

本发明属于新型生物材料技术领域，涉及一种具有抗蛋白吸附性质的表面材料及其制备方法，该表面材料由双离子性质的单体分子与有机硅聚合而成的有机硅表面材料，具有良好的抗蛋白吸附性能，可以广泛应用在海洋防污材料、生物医学材料领域，通过表面修饰的可具有抗蛋白吸附性质的表面材料，通过具有双离子性质的单体分子在有机硅基体表面接枝聚合制备而成，在海洋环境下结合水分子，在材料表面形成一层水膜，由于水膜中水分子排列致密，可以阻断蛋白在材料表面的吸附，从而抑制海洋污损生物在材料表面的进一步附着，实现对海洋生物污损进行有效防除的功效，应用前景广阔。

Description

一种具有抗蛋白吸附性质的表面材料及其制备方法

技术领域：

本发明属于新型生物材料技术领域，涉及一种具有抗蛋白吸附性质的表面材料及其制备方法，该表面材料由双离子性质的单体分子与有机硅聚合而成的有机硅表面材料，具有良好的抗蛋白吸附性能，可以广泛应用在海洋防污材料、生物医学材料领域。

背景技术：

海水中存在着大量的海洋生物，这些海生物会对长期处于海水环境中的船舶和结构物表面产生附着。这种附着作用会增大船舶的行进阻力，严重影响船舶的航行速度，增加燃油消耗，同时还会破坏船舶和结构物表面的防腐涂层，从而造成船体和结构物表面的腐蚀破损，严重影响其安全性。因此寻找合适的途径防止海洋生物对船舶和海洋结构物的污损附着具有非常重要的意义。目前用来防止海生物污损的主要途径就是在船舶壳体和海洋结构物的表面涂刷防污涂料，这类涂料现在主要是以含有机锡和氧化亚铜为主，是通过有机锡和氧化亚铜对生物体的强烈毒杀作用而进行防污的，但是这类涂料在毒杀附着海生物的同时，也会对其它的鱼类、贝类造成毒害，并且会在生物体内和海洋环境中造成积累，严重危害海洋食物链和海洋生态环境，破坏生态平衡；因此寻找新的无毒或低毒防污材料是非常必要的。近年来，国内外开发了一些无毒的防污材料，主要包括低表面能防污材料、生物防污材料等。低表面能防污材料是指通过利用其制成的防污材料的低表面能特征，使生物不易附着，如中国专利CN1097446A名为“单组分防污涂料”的专利公开了一种以改性有机硅树脂为基料、聚四氟乙烯为填料的防污涂料，具有较好的防污效果；中国专利CN1810903A名为“生物低表面能防污涂料”的专利提出了使用氟-硅树脂配合生物提取剂等制备防污涂料，用于海洋船舶防污。但是，这类材料在实际应用中仍然会有生物附着现象发生，防污能力有待进一步提高；同时，由于含氟树脂基本是目前所能够找到的表面能最低的材料，因此在制备时需要极清洁的条件，对工艺过程要求极为严格，实用起来有一定的困难。生物防污材料是指将生物防污制剂加入涂料中，通过干扰海生物的附着环境或生长过程，改变细胞自身的表面特性等方式起到防污作用，如中国专利CN1031387名为“含有生物材料的防污涂料”的专利公开了一种将活性细菌细胞(硫细菌类排硫杆菌和氧化硫杆菌)固定化作为防污剂制成的生物防污涂料，在海上做挂片试验具有较强的防污能力。但是也有研究发现，通过海洋细菌控制早期附着物来防止表面污损在实现起来具有一定的困难，这主要是因为船舶必须经受不同海域、不同季节、海港内特殊环境、干湿交替、船舶航行时海水的冲刷等环境的考验，使得生物附着早期阶段的这种过程变得非常复杂而且不连续。

研究发现，污损海洋生物在材料表面的附着基本遵循同一个模式，即首先是分泌一种以蛋白和多糖为主要成分的黏液，该黏液在材料表面上浸润、分散并吸附，然后蛋白通过化学键合、静电作用等方式进行固化黏附。即污损海生物形成附着的开始阶段有着共同点，那便是蛋白迅速的吸附在无保护的材料表面上。因此，材料表面抗蛋白吸附的研究对海洋防污领域研究防污表面材料具有重要的意义。目前关于抗蛋白吸附表面材料的研究主要集中在生物医学领域的理论或应用研究方面，Lee等制备了以聚(L-赖胺酸)为主链、聚乙烯醇(PEG)为支链的接枝共聚物(PLL-g-PEG)，该聚合物主链结构单元带正电荷；静电吸引在聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料表面产生PEG覆盖的涂层；蛋白吸附实验证实，经预吸附改性的PDMS具有优异的阻抗非特异性蛋白吸附性能。CN200910069489报道了一种具有抗蛋白吸附和抗菌功能的聚氨酯材料，该材料是通过在聚氨酯基层表面接枝真菌茯苓多糖羧甲基衍生物制备而成，该材料具有亲水性和抗蛋白吸附功能，同时具有抑制绿脓杆菌的抗菌作用，可作为人体植入器官。目前将抗蛋白吸附的原理应用于海洋防污方面的研究很少，且直接在有机硅材料表面进行两性离子化学改性进而形成抗蛋白吸附性质的表面材料还未见报道。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求制备一种新型的具有抗蛋白吸附性质的表面材料，可以有效抑制蛋白吸附及海洋污损生物附着。

为了实现上述目的，本发明涉及的通过表面修饰的可具有抗蛋白吸附性质的表面材料，通过具有双离子性质的单体分子在有机硅基体表面接枝聚合制备而成，在海洋环境下结合水分子，在材料表面形成一层水膜，由于水膜中水分子排列致密，可以阻断蛋白在材料表面的吸附，从而抑制海洋污损生物在材料表面的进一步附着，实现对海洋生物污损进行有效防除的功效；其技术特征在于通过具有双离子性质的单体分子在有机硅材料表面接枝聚合制备而成的表面材料的分子结构式为：

式中：

表示有机硅树脂、橡胶、弹性体；R₁为甲基、乙基、苯基、取代苯基等基团；R₂为具有双离子性质的有机基团；n为≥1的自然数；其制备工艺过程是先在圆底烧瓶中加入三乙胺、四氢呋喃溶剂和表面羟基化的有机硅表面材料，将圆底烧瓶封口，置于冰水浴中，搅拌5分钟后加入适量2-溴代异丁酰溴，封口，5分钟后，圆底玻璃瓶从冰水浴中取出，持续搅拌反应16小时，反应结束后，将产物从手套箱中取出，先后用甲醇、去离子水冲洗，反复冲洗后用N₂吹干，即得含有引发基团的有机硅表面材料；再在磨口锥形瓶中加入1mmol二联吡啶和1mmol溴化亚铜，溶于甲醇和水的混合溶液(3∶1，v/v)，搅拌30分钟，继续加入一定量的双离子性分子单体，搅拌10分钟后，再加入已制备的含有引发基团的有机硅表面材料并持续搅拌24小时，反应结束后，将有机硅表面材料取出，先后用甲醇、去离子水反复冲洗并用N₂吹干，即得表面修饰有双离子性分子的有机硅材料。

本发明所述的2-溴代异丁酰溴的用量与待修饰的有机硅表面材料的表面积之间的关系为0.01-1mmol/cm²；所述的三乙胺与2-溴代异丁酰溴的摩尔比为2∶1；所述的双离子性分子单体与2-溴代异丁酰溴的摩尔比为1～200∶1；所述的搅拌速度为200-2000rpm；所述的双离子性分子单体是但不限于甜菜碱型、磷酸胆碱型、咪唑啉型同时携带有正负离子电荷的分子单体；所制备的表面修饰有双离子性分子的有机硅材料能够结合环境中的水分子，在材料表面形成一层致密的水膜，从而较好的抑制蛋白的吸附，在海洋环境中能抑制污损海生物黏附蛋白的吸附，使得污损海生物难以在材料表面产生附着，实现对污损海生物的有效防除。

本发明工艺方法简单，原理可靠，反应成本低，其制备的材料相对于基体有机硅材料的蛋白抑制率达70％，对环境及人体安全，无毒副作用，可作为具有抗蛋白吸附功能的生物医学表面材料，具有优异的抑制硅藻附着的性能，相对于有机硅基体对硅藻的抑制率提高75％，是良好的海洋防污表面材料，应用前景广阔。

具体实施方式：

下面通过实施例对本发明作进一步描述。

实施例1：具有抗蛋白吸附性质的表面材料的制备

(1)在250mL圆底烧瓶中加入2mmol三乙胺，200mL四氢呋喃为溶剂，加入表面羟基化的有机硅基体(表面积1cm²，如表面积增加则按相应比例增加实验中各组分用量)，将圆底烧瓶封口，置于冰水浴中，搅拌5分钟后加入适量的2-溴代异丁酰溴，将圆底烧瓶封口，5分钟后，将圆底烧瓶从冰水浴中取出，持续搅拌反应16小时，反应结束后，将产物从手套箱中取出，先后用甲醇、去离子水冲洗，反复冲洗后用N₂吹干，即得含有引发基团的中间体；

(2)以下反应过程在手套箱中进行，在50mL磨口锥形瓶中加入1mmol二联吡啶和1mmol溴化亚铜，溶于30mL甲醇和水体积比3∶1的混合溶液，搅拌30分钟，加入一定量的双离子性分子单体，继续搅拌10分钟后，加入步骤(1)所得中间体，持续搅拌24小时，反应结束后，将产物从手套箱中取出，先后用甲醇、去离子水冲洗，反复冲洗后用N₂吹干，即得表面双离子性分子修饰的有机硅表面材料。

实施例1中各条件如下表所示但不仅限于所列内容：

实施例2：抗蛋白吸附效果评价

选用牛血清白蛋白(Mw＝6KD)作为模型蛋白评价抗蛋白吸附性能；将实施例1制备的2号有机硅表面材料浸泡在5mL 1g/L的牛血清白蛋白磷酸盐缓冲溶液中，常温下放置8小时，试样取出后，用磷酸盐缓冲溶液震荡冲洗后，用考马斯亮蓝染色10分钟后，用紫外分光光度计测试蛋白吸附量，根据朗伯-比尔定律利用标准曲线法得到材料表面吸附蛋白的摩尔数即为蛋白吸附量，根据修饰前后的材料表面蛋白吸附量的不同计算蛋白吸附抑制率，其表达式如下：

相对于未修饰的空白有机硅基体材料，表面双性离子修饰的有机硅表面材料对蛋白的吸附抑制率可提高70％。

实施例3：防污效果评价

将实施例1制备的有机硅材料在实验室内进行硅藻附着抑制对比试验，选择小形舟形藻为实验藻，将有机硅材料浸在初始浓度为1×10⁵个/mL的小形舟形藻溶液中25℃下培养7天；在三维视频显微镜下观察并计数小形舟形藻的附着量(观察10个视野计算平均数)。根据吸附前后材料表面小形舟形藻附着量的变化计算硅藻附着抑制率，公式如下：

硅藻抑制试验结果表明，该双性离子分子修饰的有机硅表面材料相对于有机硅基体对硅藻的抑制率提高75％。

本实用新型的蛋白抑制试验结果表明，该材料相对于基体有机硅材料，蛋白抑制率可达70％；硅藻抑制试验结果表明，该表面材料相对于有机硅基体对硅藻的抑制率提高75％。

Claims

1.一种具有抗蛋白吸附性质的表面材料，其特征在于通过具有双离子性质的单体分子在有机硅材料表面接枝聚合制备而成的表面材料的分子结构式为：

式中：

表示有机硅树脂、橡胶、弹性体；R₁为甲基、乙基、苯基、取代苯基基团；R₂为具有双离子性质的有机基团；n为≥1的自然数。

2.根据权利要求1所述的具有抗蛋白吸附性质的表面材料的制备方法，其特征在于先在圆底烧瓶中加入三乙胺、四氢呋喃溶剂和表面羟基化的有机硅表面材料，将圆底烧瓶封口，置于冰水浴中，搅拌5分钟后加入适量2-溴代异丁酰溴，封口，5分钟后，圆底玻璃瓶从冰水浴中取出，持续搅拌反应16小时，反应结束后，将产物从手套箱中取出，先后用甲醇、去离子水冲洗，反复冲洗后用N₂吹干，即得含有引发基团的有机硅表面材料；再在磨口锥形瓶中加入1mmol二联吡啶和1mmol溴化亚铜，溶于甲醇和水按体积比为3∶1的混合溶液，搅拌30分钟，继续加入双离子性分子单体，搅拌10分钟后，再加入已制备的含有引发基团的有机硅表面材料并持续搅拌24小时，反应结束后，将有机硅表面材料取出，先后用甲醇、去离子水反复冲洗并用N₂吹干，即得产品。

3.根据权利要求2所述的具有抗蛋白吸附性质的表面材料的制备方法，其特征在于所述的2-溴代异丁酰溴的用量与待修饰的有机硅表面材料的表面积之间的关系为0.01-1mmol/cm²；所述的三乙胺与2-溴代异丁酰溴的摩尔比为2∶1；所述的双离子性分子单体与2-溴代异丁酰溴的摩尔比为1～200∶1；所述的搅拌速度为200-2000rpm；所述的双离子性分子单体包括甜菜碱型、磷酸胆碱型、咪唑啉型同时携带有正负离子电荷的分子单体；所制备的表面修饰有双离子性分子的有机硅材料能够结合环境中的水分子，在材料表面形成一层致密的水膜，抑制蛋白的吸附，在海洋环境中抑制污损海生物黏附蛋白的吸附，使污损海生物难以在材料表面产生附着，实现对污损海生物的有效防除。