CN102634792A - 一种基于多巴胺改性聚电解质的层层静电自组装方法及应用 - Google Patents
一种基于多巴胺改性聚电解质的层层静电自组装方法及应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于多巴胺改性聚电解质的层层静电自组装方法及应用，多巴胺与带有羧基的聚电解质通过碳二亚胺/N-羟基琥珀酰亚胺(EDS/NHS)避光反应，生成主链羧基部分被邻二苯酚官能团替代的聚电解质，利用邻二苯酚在苯环上的两个羟基与材料表面形成紧密结合，并与带有相反电荷的聚电解质交替沉积组装成多层膜。与其它的层层组装技术相比，本发明操作简便、不受基底材料及形状影响、无需表面预处理、与基底结合强度高，具有较好的推广应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及静电层层自组装技术，更具体地说，涉及基于多巴胺改性的层层自主装方法，主要用于生物医用材料的表面改性，如功能性金属离子负载、载药控释、生长因子投递等领域。
背景技术
层层自组装技术是一种基于聚电解质阴阳离子的超分子自组装技术，具有操作简单、无基底形状要求、膜层稳定等特点。但静电层层组装技术首先需要一个带电荷的基底，基底上的电荷分布与存在方式直接影响膜的结构稳定性。如何将不带电的基底处理带电，是层层组装技术的关键问题。目前的基底处理，主要包括聚电解质吸附(如PEI在石英表面的吸附)、化学反应等方法。不同的材料往往需要不同的基底预处理，因此使得层层组装技术的简易性及普适性大打折扣。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种无需进行基底处理便可以在多种不同基底上实现静电层层自主装的方法，操作简便，具有较好的推广应用价值。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现：
一种基于多巴胺改性聚电解质的层层静电自组装方法，按照下述步骤进行：
步骤(1)，将多巴胺与带有羧基的聚电解质通过碳二亚胺/N-羟基琥珀酰亚胺催化反应体系(EDS/NHS)避光反应生成主链羧基部分被邻二苯酚官能团替代的聚电解质；
步骤(2)利用邻二苯酚在苯环上的两个羟基与材料表面形成紧密结合，并与带有相反电荷的聚电解质交替沉积进行静电自组装，并形成多层膜。
其中所述带有羧基的聚电解质可选择为明胶或者透明质酸或者海藻酸钠。
所述步骤(1)中，多巴胺的用量为过量，可选择反应摩尔比例为多巴胺∶带羧基的聚电解质∶EDC∶NHS＝1∶1∶1∶1；整个反应过程中，压力为常压、温度为室温(20-25℃)，时间为至少12h，优选12-24h，为使尽量多的多巴胺与聚电解质发生反应，可适当延长反应时间，但是在整个反应过程中需要时时监测反应体系的pH值，并通过滴加酸或者碱予以维持。例如选择磷酸盐缓冲溶液(PBS)为反应提供溶液氛围，可先根据聚电解质的等电点调整溶液氛围的pH并通过滴加酸或者碱予以维持，以使聚电解质所带电荷不发生变化，并尽量保持稳定，例如可将pH值保证在4～5.5之间。
所述步骤(2)中，带有相反电荷的聚电解质为壳聚糖；在交替沉积进行静电自组装的过程中，首先配置邻二苯酚官能团替代的聚电解质和带有相反电荷的聚电解质的水溶液，然后将基底材料置于邻二苯酚官能团替代的聚电解质的水溶液中，以利用邻二苯酚在苯环上的两个羟基与材料表面形成紧密结合，静止浸泡时间选择至少12h，优选12-24h；经过清洗之后再将材料置于带有相反电荷的聚电解质的水溶液中，利用静电作用实现自组装，静止浸泡时间至少30min，优选30-60min；再将经过清洗之后的材料置于邻二苯酚官能团替代的聚电解质的水溶液中，利用静电作用实现自组装，静止浸泡时间至少30min，优选30-60min；如此交替进行静电自组装，并形成多层膜。
本发明的技术方案中利用多巴胺能在金属、无机、高分子等材料表面通过邻二苯酚官能团结合的性质，在不破坏聚电解质本身所带电荷的前提下，将多巴胺与聚电解质接枝，利用多巴胺的邻二苯酚官能团与基底结合，进而在基底表面构建自组装层，这样以来可免去基底处理，与基底结合强度高，不受基底材料种类及形状的影响，操作简便；此外，邻二苯酚、羧基等官能团可以和金属离子结合，实现在基底表面的功能离子负载，拓宽层层组装的应用领域。
附图说明
图1本发明的层层自组装方法示意图。
图2多巴胺改性透明质酸前后的红外光谱图，a为改性前、b为改性后。
图3多巴胺改性海藻酸钠前后的红外光谱图，a为改性前、b为改性后。
图4多巴胺改性明胶前后的红外光谱图，a为改性前、b为改性后。
图5层层组装多巴胺改性透明质酸/壳聚糖的Zeta电位图。
图6层层组装多巴胺改性海藻酸钠/壳聚糖的Zeta电位图。
图7层层组装多巴胺改性明胶/壳聚糖的Zeta电位图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。其中使用的药品购自Sigma公司，均为化学纯，其中透明质酸为40万～50万克/摩、壳聚糖5万～20万克/摩、海藻酸钠20万～25万克/摩、明胶3万～5万克/摩；红外光谱通过Nicolet 6700傅立叶红外(FT-IR)光谱仪测得；Zeta电位均用Beckman Coulter公司的DelsaTM Nano C ZetaPotential Analyzer仪器测得。
实施例1
本实例为钛合金表面基于多巴胺改性聚电解质的层层静电组装多层膜，无需在材料表面进行预处理，即材料表面无需预先带上电荷。
首先合成多巴胺改性透明质酸，将0.1g透明质酸溶于10mL pH＝5.5的PBS溶液中。将40mg碳二亚胺(EDC)加入溶液中，反应15min后加入60mg N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)及50mg多巴胺避光反应12h，反应过程用1M HCl或1M Na0H维持溶液pH＝5.5，溶液透析后冻干。其静电组装过程包括以下步骤，材料为钛合金：
1)将多巴胺改性透明质酸溶于pH＝5的NaCl水溶液中，配置浓度为1mg/mL的溶液；
2)将壳聚糖溶于pH＝5的NaCl水溶液中，配置成浓度为1mg/mL的溶液；
3)将材料放入步骤1制得的溶液中避光浸泡12h；
4)将步骤3中的材料取出放入pH＝5的NaCl溶液中浸泡2min；
5)将步骤4中的材料取出放入步骤2制得的溶液中浸泡30min；
6)将步骤5中的材料取出放入pH＝5的NaCl溶液中浸泡2min；
7)将步骤6中的材料取出放入步骤1制得的溶液中浸泡30分钟；
8)将步骤7中的材料取出放入pH＝5的NaCl溶液中浸泡2min；
9)重复步骤5至步骤8多次制备出聚电解质的多层膜。
从附图中可以看出，虚方框中b曲线对应峰的为酰胺键的特征峰，与a曲线比较表明多巴胺接枝成功；经层层自组装的多层膜中，奇数层为多巴胺改性透明质酸层，偶数层为壳聚糖层。
实施例2
本实例为羟基磷灰石表面基于多巴胺改性聚电解质的层层静电组装多层膜，无需在材料表面进行预处理，即材料表面无需预先带上电荷。
首先合成多巴胺改性海藻酸纳，将0.1g海藻酸钠溶于10mL pH＝5.5的PBS溶液中。将40mg EDC加入溶液中，反应15min后加入60mg NHS及50mg多巴胺避光反应20h，反应过程用1M HCl或1M NaOH维持溶液pH＝5.5，透析溶液后冻干。
其静电组装过程包括以下步骤，材料为羟基磷灰石：
1)将多巴胺改性海藻酸纳溶于pH＝5的NaCl水溶液中，配置浓度为1mg/mL的溶液；
2)将壳聚糖溶于pH＝5的NaCl水溶液中，配置浓度为1mg/mL的溶液；
3)将材料放入步骤1制得的溶液中避光浸泡20h；
4)将步骤3中的材料取出放入pH＝5的NaCl溶液中浸泡2min；
5)将步骤4中的材料取出放入步骤2制得的溶液中浸泡40min；
6)将步骤5中的材料取出放入pH＝5的NaCl溶液中浸泡2min；
7)将步骤6中的材料取出放入步骤1制得的溶液中浸泡40分钟；
8)将步骤7中的材料取出放入pH＝5的NaCl溶液中浸泡2min；
9)重复步骤5至步骤8多次制备出聚电解质的多层膜
从附图中可以看出，虚方框中b曲线对应峰的为酰胺键的特征峰，与a曲线比较表明多巴胺接枝成功；经层层自组装的多层膜中，奇数层为多巴胺改性海藻酸钠层，偶数层为壳聚糖层。
实施例3
本实例为聚四氟乙烯表面基于多巴胺改性聚电解质的层层静电组装多层膜，无需在材料表面进行预处理，即材料表面无需预先带上电荷。
首先合成多巴胺改性明胶，将0.1g明胶溶于10mL pH＝5.5的PBS溶液中。将40mgEDC加入溶液中，反应15min后加入60mg NHS及50mg多巴胺避光反应24h，反应过程用1M HCl或1M NaOH维持溶液pH＝5.5，透析溶液后冻干。
其静电组装过程包括以下步骤，材料为聚四氟乙烯：
1)将多巴胺改性明胶溶于pH＝5的NaCl水溶液中，配置浓度为1mg/mL的溶液；
2)将壳聚糖溶于pH＝5的NaCl水溶液中，配置浓度为1mg/mL的溶液；
3)将材料放入步骤1制得的溶液中避光浸泡24h；
4)将步骤3中的材料取出放入pH＝5的NaCl溶液中浸泡2min；
5)将步骤4中的材料取出放入步骤b制得的溶液中浸泡60min；
6)将步骤5中的材料取出放入pH＝5的NaCl溶液中浸泡2min；
7)将步骤6中的材料取出放入步骤a制得的溶液中浸泡60分钟；
8)将步骤7中的材料取出放入pH＝5的NaCl溶液中浸泡2min；
重复步骤5至步骤8多次制备出聚电解质的多层膜
从附图中可以看出，虚方框中b曲线对应峰的为酰胺键的特征峰，与a曲线比较表明多巴胺接枝成功；经层层自组装的多层膜中，奇数层为多巴胺改性明胶层，偶数层为壳聚糖层。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于多巴胺改性聚电解质的层层静电自组装方法，其特征在于，按照下述步骤进行：
步骤(1)，将多巴胺与带有羧基的聚电解质通过碳二亚胺/N-羟基琥珀酰亚胺催化反应体系(EDS/NHS)避光反应生成主链羧基部分被邻二苯酚官能团替代的聚电解质；
步骤(2)利用邻二苯酚在苯环上的两个羟基与材料表面形成紧密结合，并与带有相反电荷的聚电解质交替沉积进行静电自组装，并形成多层膜。
2.根据权利要求1所述的一种基于多巴胺改性聚电解质的层层静电自组装方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述带有羧基的聚电解质可选择为明胶或者透明质酸或者海藻酸钠。
3.根据权利要求1所述的一种基于多巴胺改性聚电解质的层层静电自组装方法，其特征在于，所述步骤(1)中，多巴胺的用量为过量，整个反应过程中，压力为常压、温度为20-25℃，时间为至少12h，优选12-24h，为使尽量多的多巴胺与聚电解质发生反应，可适当延长反应时间。
4.根据权利要求1所述的一种基于多巴胺改性聚电解质的层层静电自组装方法，其特征在于，所述步骤(1)中，可选择反应摩尔比例为多巴胺∶带羧基的聚电解质∶EDC∶NHS＝1∶1∶1∶1。
5.根据权利要求1所述的一种基于多巴胺改性聚电解质的层层静电自组装方法，其特征在于，所述步骤(1)中，在整个反应过程中需要时时监测反应体系的pH值，并通过滴加酸或者碱予以维持，以使聚电解质所带电荷不发生变化，并尽量保持稳定。
6.根据权利要求1所述的一种基于多巴胺改性聚电解质的层层静电自组装方法，其特征在于，所述步骤(1)中，在整个反应过程中将pH值保证在4～5.5之间。
7.根据权利要求1所述的一种基于多巴胺改性聚电解质的层层静电自组装方法，其特征在于，所述步骤(2)中，带有相反电荷的聚电解质为壳聚糖。
8.根据权利要求1所述的一种基于多巴胺改性聚电解质的层层静电自组装方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在交替沉积进行静电自组装的过程中，首先配置邻二苯酚官能团替代的聚电解质和带有相反电荷的聚电解质的水溶液，然后将基底材料置于邻二苯酚官能团替代的聚电解质的水溶液中，以利用邻二苯酚在苯环上的两个羟基与材料表面形成紧密结合，静止浸泡时间选择至少12h，优选12-24h；经过清洗之后再将材料置于带有相反电荷的聚电解质的水溶液中，利用静电作用实现自组装，静止浸泡时间至少30min，优选30-60min；再将经过清洗之后的材料置于邻二苯酚官能团替代的聚电解质的水溶液中，利用静电作用实现自组装，静止浸泡时间至少30min，优选30-60min；如此交替进行静电自组装，并形成多层膜。
9.如权利要求1所述的基于多巴胺改性聚电解质的层层静电自组装方法在基底材料上制备多层膜的应用，其特征在于，将多巴胺与带有羧基的聚电解质通过碳二亚胺/N-羟基琥珀酰亚胺催化反应体系避光反应生成主链羧基部分被邻二苯酚官能团替代的聚电解质；利用邻二苯酚在苯环上的两个羟基与材料表面形成紧密结合，并与带有相反电荷的聚电解质交替沉积进行静电自组装，并形成多层膜。
10.根据权利要求9所述的基于多巴胺改性聚电解质的层层静电自组装方法在基底材料上制备多层膜的应用，其特征在于，所述带有羧基的聚电解质可选择为明胶或者透明质酸或者海藻酸钠；所述带有相反电荷的聚电解质为壳聚糖。
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