CN103736156B - 一种通过聚多巴胺涂层构建功能化表界面的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过聚多巴胺涂层构建功能化表界面的方法，包括以下步骤：（1）将待改性的基体材料浸入多巴胺水溶液中，在材料表面自动形成聚多巴胺涂层；（2）制备含活性酯基团的功能化聚合物；（3）将含活性酯基团的功能聚合物与聚多巴胺涂层发生酰胺化反应，使功能化聚合物键合固定在材料表面，实现材料表面的功能化改性。本发明将具有超强黏附性能多巴胺交联层作为过渡层，几乎适用于任何基体材料表面改性，还可以克服人工合成功能聚合物中受多巴胺含量的限制，构建稳定性更强的仿生表面。

Description

一种通过聚多巴胺涂层构建功能化表界面的方法

技术领域

本发明涉及一种通过聚多巴胺涂层构建功能化表界面的方法，属于生物医用高分子材料技术领域。

背景技术

在生物医疗器械领域，良好的血液相容性是植入体内的生物医用材料发挥作用的基本前提。因此，能够在材料表面引入稳定的、高密度的抗凝生物基团被认为是解决基材与人体接触后发生蛋白质吸附、凝血等不良反应等一系列问题最直接的方法。

聚乙二醇（PEG）具有高度的亲水性，在水溶液中有较大的水动力学体积，并且没有免疫原性。在表面引入PEG链后，可在被修饰的基材周围产生空间屏障，有效抑制蛋白质吸附和血小板黏附。

磷酰胆碱(PC)基团是细胞外层膜中卵磷脂分子的极性基团。在与蛋白质、血小板等体液成分相接触时，其磷酰胆碱基团发挥极佳的生物相容性作用，有效减少了蛋白质的吸附与血小板的黏附。

仿生学研究发现，多巴胺(DOPA)能够在海水中凝固成足丝，紧密附着在基体材料表面上，这一现象为材料表面改性提供了一条新途径。然而，人工合成的功能聚合物中多巴胺含量达不到理想比例，功能基团难以稳定的结合到基材表面。

本发明以聚多巴胺层为过渡层，利用其表面富含的-NH₂基团与功能聚合物中的活性酯基团发生酰胺化反应，将仿细胞膜结构的磷酰胆碱基团、抗凝血性良好的PEG等仿生物功能基团引入多种基材表面，以期构建功能基团覆盖密度更高、稳定性更强的仿生界面。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种通过聚多巴胺涂层构建功能化表界面的方法，其利用聚多巴胺层表面富含的大量活性氨基，与含活性酯基团的功能聚合物进行酰胺化反应，将聚合物链上的功能基团固定到基材表面，为材料表面的功能化提供一种适应面广的新方法。

本发明的实现过程如下：

一种通过聚多巴胺涂层构建功能化表界面的方法，包括以下步骤：

（1）将待改性的基体材料浸入多巴胺水溶液中，在材料表面自动形成聚多巴胺涂层；

（2）制备含活性酯基团的功能化聚合物，其结构通式（I）如下：

其中，m为10~1000的正整数，n为0~500的正整数，x为5~500的正整数；在m、n、x中，m摩尔百分数为30～90%，n为0~50%，x为10～70%；R₁、R₂、R₃独立地选自H或CH₃；

Y为含有2～8个碳的分子链连接的亲水基团，亲水基团是季铵基、磷酰胆碱基团、吡啶盐、磺酸基、磷酸基、羧酸基或硫酸基；

Y最好为2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱基；

W的结构式为：

，n为1~50的正整数;

V的结构式为：

，n为1~50的正整数;

所述含活性酯基团的功能化聚合物的分子量范围为5000~15000；

（3）将含活性酯基团的功能聚合物与聚多巴胺涂层发生酰胺化反应，使功能化聚合物键合固定在材料表面，实现材料表面的功能化改性。上述步骤（3）中，将已经形成聚多巴胺涂层的材料或器件浸没在含有活性酯基团的功能聚合物溶液中，50~78℃加热8~24h实现酰胺化反应。

上述步骤（3）中，在已经形成聚多巴胺涂层的基体材料表面旋涂、浸涂或喷涂含有活性酯基团的功能聚合物溶液后，80~130℃空气氛围加热4~8h实现酰胺化反应。

上述步骤（3）中，在已经形成多巴胺涂层的基体材料表面旋涂、浸涂或喷涂含有活性脂基团的功能化聚合物溶液后，室温自然晾干，在50~78℃乙醇水蒸气氛围中处理8~24h实现酰胺化反应。

所述的配制含活性酯基团的功能聚合物溶液所选用的溶剂为甲醇、无水乙醇、异丙醇、水、四氢呋喃、乙酸乙酯、N、N-二甲基甲酰胺、乙腈、丙酮、四氢呋喃、乙醇或其混合溶液。

所述的待改性的基体材料为聚四氟乙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚碳酸脂、聚丙烯、聚丙烯酸脂、金属、碳纳米管、尼龙薄膜、二氧化硅、玻璃或陶瓷材质。

本发明的优点与积极的效果：本发明将具有超强黏附性能多巴胺交联层作为过渡层，几乎适用于任何基体材料表面改性（包括抗黏附性能强的PTFE），也不受外貌和尺寸的限制。还可以克服人工合成功能聚合物中受多巴胺含量的限制，构建稳定性更强的仿生表面。另外，将不同的功能基团先集成在聚合物的不同侧链上，可以同时固定比例确定的多种功能基团。本发明方法构建的功能表界面，功能基团的密度高，改性效果好。

附图说明

图1为空白PC片基、形成多巴胺涂层、接枝PMN表面的动态接触角柱状图；

图2为空白PC片基、形成多巴胺涂层、接枝PMN表面的光电子能谱图；

图3为空白PC片基、形成多巴胺涂层、接枝PMN表面蛋白质吸附的柱状图；

图4为空白PC片基、形成多巴胺涂层、接枝PMN表面血小板黏附的SEM图。

具体实施方式

聚多巴胺涂层的制备：（1）配置新鲜的多巴胺水溶液；（2）将待改性的基材浸没到新鲜配置的多巴胺水溶液中，多巴胺自动聚合时间为15~24h，温度为15~35℃。（3）取出待改性基材，用大量蒸馏水淋洗没有牢固结合在基材表面的多巴胺、聚多巴胺，室温放置自然晾干。

含有活性酯基团功能聚合物的制备参考文献方法(MacromolecularBioscience2012，12:979-985)进行。其反应过程如下：

按设计比例将含活性酯基团、磷酰胆碱基团（PC）、聚乙二醇（PEG）的可聚合单体在无水乙醇中溶解后加入三颈烧瓶，通氮气除氧，加入AIBN引发剂进行自由基随机聚合。减压蒸出大部分溶剂，产物的溶液用pH为3.0-4.0的磷酸缓冲液透析3天，冷冻干燥后得到设计比例的PMEN白色固体产物。

功能化界面的构建：配置上述所制备的含有活性酯基团的功能聚合物溶液（浓度范围1~5mg/ml），（1）将已经在表面形成聚多巴胺涂层的基材浸没到上述聚合物溶液中，加热实现酰胺化反应，构建功能化表界面。（2）在已经形成聚多巴胺涂层的表面旋涂、浸涂或喷涂聚合物溶液，空气氛围中加热实现酰胺化反应，构建功能化表界面。（3）在已经形成多巴胺涂层的表面滴涂、浸涂或喷涂功能聚合物溶液，乙醇水蒸气氛围中处理实现酰胺化反应，构建功能化表界面。

实施例1

聚四氟乙烯（PTFE）基材表面形成聚多巴胺涂层：配置浓度为2mg/mlpH=8.5的Tris-HCl多巴胺缓冲液，将长是2cm×2cm的PTFE片基浸没到上述溶液中，在29℃下多巴胺自动粘附聚合24h，取出片基后用蒸馏水淋洗5次，自然晾干后得到聚多巴胺涂层。测定动态接触角，前进角平均值为61±5°，后退角平均为15±2°。

实施例2

聚碳酸脂（PC）基材表面形成聚多巴胺涂层:配置浓度为2mg/mlpH=8.5的Tris-HCl多巴胺缓冲液，将长是2cm×2cm的PC片基浸没到上述溶液中，在32℃下多巴胺自动粘附聚合24h，取出片基后用蒸馏水淋洗8次，自然晾干后得到聚多巴胺涂层。测定动态接触角（图1），前进角平均为58±5°，后退角平均为11±2°。在90℃的热水中加热3h，动态接触角没有明显变化。X射线光电子能谱显示PC片基上涂覆多巴胺后N元素特征峰出现（图2），证明在PC片基表面形成聚多巴胺层。

实施例3

含活性酯基团、聚乙二醇及磷酰胆碱基团三元功能聚合物（PMEN）的制备：

取一个100mL干燥洁净的三颈烧瓶，三口分别加滴液漏斗、带干燥管的回流管、通氮气的装置。三颈烧瓶中加入10ml无水乙醇，升温至70℃，保持此温度30min。称取0.060gAIBN溶于6mlTHF至完全溶解，加入三颈烧瓶中。滴加40ml含有2.00g丙烯酸聚乙二醇酯（分子量2000）、0.88g2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱（MPC）、3.16g对硝基苯氧羰基聚乙二醇甲基丙烯酸酯（MEONP）无水乙醇溶液，4h内滴加完毕，反应20h后，得到淡黄色的透明溶液。将所得的功能化三元随机共聚物（PMEN）浓缩液装入截留分子量为7000的透析袋中，以pH=3.93磷酸水溶液为透析介质，WSZ-100-A振荡器以120r/min速率摇振透析72h。冷冻干燥后即得PMEN白色固体聚合物。¹HNMR测得PMEN功能化聚合物中MPC、PEG、MEONP组分的摩尔含量分别为54%、21%、25%。

实施例4

含活性酯基团及磷酰胆碱基团二元功能聚合物（PMN）的制备：取一个100mL干燥洁净的三颈烧瓶，三口分别加滴液漏斗、带干燥管的回流管、通氮气的装置，三颈烧瓶中加入20ml无水乙醇，体系升温至70℃，保持此温度30min，称取0.05gAIBN溶于6mlTHF至完全溶解，加入三颈烧瓶中。滴加40ml含MEONP2.55g、MPC2.98g的无水乙醇溶液，在4h内滴加完毕，反应20h。将所得PMN二元随机共聚物溶液浓缩后装入截留分子量为7000的透析袋，以pH=3.93磷酸水溶液为透析介质，WSZ-100-A振荡器以120r/min速率摇振透析48h。冷冻干燥后得PMN絮状固体。¹HNMR测得功能化聚合物中MPC、MEONP组分的摩尔含量分别为68%、32%。

实施例5

PTFE片基表面功能化表面的构建：配置实施例4制备的PMN二元共聚物溶液，其中浓度为2mg/ml、溶剂为乙醇和水的混合溶剂（乙醇和水的体积比为3:2）。将已经在表面形成聚多巴胺涂层的PTFE片基浸没到上述配置的含有活性酯基团的功能聚合物溶液中，在65℃温度下反应12小时。取出片基用蒸馏水淋洗10次。测定其与水接触的前进角平均为65℃，后退角平均为22℃。

PC表面功能化表面的构建-1：配置上述制备的PMN二元共聚物溶液，其中浓度为5mg/ml、溶剂为乙醇和水的混合溶剂（乙醇和水的体积比为3:2）。用微量移液器移取50ml上述溶液，旋涂到已经形成多巴胺涂层的PC表面，室温自然晾干后。在100℃温度，空气氛围中加热6小时，取出片基后用蒸馏水淋洗10次。如图2所示X射线光电子能谱显示接枝PMN共聚物后，与涂覆多巴胺层相比，改性片上有N、P特征元素出现，说明成功将PMN功能化聚合物固定到PC基材表面。

PC表面功能化表面的构建-2：配置制备的PMN二元共聚物溶液，其中浓度为5mg/ml、溶剂为乙醇和水的混合溶剂（乙醇和水的体积比为3:2）。用微量移液器移取50ml上述溶液，旋涂到已经形成多巴胺涂层层的PC表面，室温自然晾干后。在70℃温度，乙醇水蒸气氛围中处理10h，取出片基后用蒸馏水淋洗10次，自然晾干，测定与水接触的静态接触角平均为61度。

PC表面功能化表面的构建-3:配置实施例3制备的PMEN三元共聚物溶液，其中浓度为5mg/ml、溶剂为乙醇和水的混合溶剂（乙醇和水的体积比为3:2）。用微量移液器移取50ml上述溶液，旋涂到已经形成多巴胺涂层的PC表面，室温自然晾干后。在100℃温度，空气氛围中加热6小时，取出片基后用蒸馏水淋洗10次。测定其与水接触的前进角平均为60℃，后退角平均为23℃。

实施例6

功能化界面的抗蛋白质吸附性能：PC表面、多巴胺涂层表面、及实施例5得到的PMN二元共聚物功能化表面，同时进行蛋白质吸附实验，结果如图3所示。PMN二元共聚物功能化改性后表面的蛋白质吸附量明显降低，表现出了良好的PMN聚合物改性效果。

实施例7

功能化界面的抗血小板黏附性能：PC表面、多巴胺涂层表面、及实施例5得到的PMN二元共聚物功能化表面，同时进行血小板黏附实验，结果如图4所示。PMN二元共聚物功能化改性后表面的血小板附几乎观察不到，表现出优异的抗血小板黏附性能。

Claims (8)

1.一种通过聚多巴胺涂层构建功能化表界面的方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）将待改性的基体材料浸入多巴胺水溶液中，在材料表面自动形成聚多巴胺涂层；

（2）制备含活性酯基团的功能化聚合物，其结构通式（I）如下：

其中，m为10~1000的正整数，n为0~500的正整数，x为5~500的正整数；在m、n、x中，m摩尔百分数为30～90%，n为0~50%，x为10～70%；R₁、R₂、R₃独立地选自H或CH₃；

Y为含有2～8个碳的分子链连接的亲水基团，亲水基团是季铵基、磷酰胆碱基团、吡啶盐、磺酸基、磷酸基、羧酸基或硫酸基；

W的结构式为：

，n为1~50的正整数;

V的结构式为：

，n为1~50的正整数;

（3）将含活性酯基团的功能聚合物与聚多巴胺涂层发生酰胺化反应，使功能化聚合物键合固定在材料表面，实现材料表面的功能化改性。

2.根据权利要求1所述通过聚多巴胺涂层构建功能化表界面的方法，其特征在于：步骤（2）中，Y为2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱基。

3.根据权利要求1所述通过聚多巴胺涂层构建功能化表界面的方法，其特征在于:步骤（2）中，含活性酯基团的功能化聚合物的分子量范围为5000~15000。

4.根据权利要求1所述通过聚多巴胺涂层构建功能化表界面的方法，其特征在于：步骤（3）中，将已经形成聚多巴胺涂层的材料或器件浸没在含有活性酯基团的功能聚合物溶液中，50~78℃加热8~24h实现酰胺化反应。

5.根据权利要求1所述通过聚多巴胺涂层构建功能化表界面的方法，其特征在于：步骤（3）中，在已经形成聚多巴胺涂层的基体材料表面旋涂、浸涂或喷涂含有活性酯基团的功能聚合物溶液后，80~130℃空气氛围加热4~8h实现酰胺化反应。

6.根据权利要求1所述通过聚多巴胺涂层构建功能化表界面的方法，其特征在于：步骤（3）中，在已经形成多巴胺涂层的基体材料表面旋涂、浸涂或喷涂含有活性脂基团的功能化聚合物溶液后，室温自然晾干，在50~78℃乙醇水蒸气氛围中处理8~24h实现酰胺化反应。

7.根据权利要求4至6任意之一所述通过聚多巴胺涂层构建功能化表界面的方法，其特征在于：配制含活性酯基团的功能聚合物溶液所选用的溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、水、四氢呋喃、乙酸乙酯、N、N-二甲基甲酰胺、乙腈、丙酮、四氢呋喃。

8.根据权利要求1所述通过聚多巴胺涂层构建功能化表界面的方法，其特征在于待改性的基体材料为聚四氟乙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚碳酸脂、聚丙烯、聚丙烯酸脂、金属、碳纳米管、尼龙薄膜、二氧化硅、玻璃或陶瓷材质。