CN104672483B - 一种仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料的制备及其用途 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物医用材料领域，特别涉及一种仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料的制备及其用途。该仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料的制备方法为：将生理温度下呈液晶态的聚合物液晶材料通过溶液法涂覆成膜，浸入含磷酸胆碱的乙烯基单体和阻聚剂的水溶液中浸泡，然后采用60Co‑γ射线或电子束共辐照进行接枝反应，即得到仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料。该方法工艺简单、成本低、生产周期短、具有良好的工业化实用前景，且利用民用核技术做到了节能减排，降低环境污染；得到的仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料同时模仿了细胞膜的分子结构和聚集态结构，具有良好的表面生物性能，在医用敷料、介入植入器械、与血液接触的医疗器械等领域应用广泛。
Description
技术领域
本发明属于生物医用材料领域，特别涉及一种仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料的制备及其用途。
背景技术
随着生物医学的发展，生物材料的应用变得越来越广泛和重要，而生物材料的关键性能是其生物相容性。由于生物医用材料往往需要与人体体表、血液、体液接触，有的甚至要求永久性植入体内，为了保证其使用的安全性，必须具备优良的生物相容性。理想生物医用材料设计的关键在于实现对生命体系与材料界面之间在分子水平和细胞水平上相互作用的有效调控，而仿生材料技术已被认为是研制高品质生物医用材料的重要途径。
磷酸胆碱是广泛存在于动物和植物细胞膜的结构单元磷脂的亲水极性头部分，由带一个负电荷的磷酸基及带一个正电荷的胆碱季胺基构成，不仅对保持正常细胞的形状、大小和生理功能具有重要的作用，还具有显著的蛋白排斥特性，可以极大程度地降低蛋白质在其上的吸附，从而减少免疫系统的活化和血小板的沉积。含磷酸胆碱的仿生聚合物材料表现出良好的血液相容性和抑制蛋白质吸附等优异性能而受到广泛关注。国际著名期刊Nano Today发表了一篇论文：R. Matsuno, K. Ishihara, Integrated functionalnanocolloids covered with artificial cell membranes for biomedicalapplications. （Nano Today, 2011, 6, 61-74）。国际著名期刊Materials Letters发表了一篇论文：Zehu Wang, Rong Zeng, Mei Tu, Jianhao Zhao. A novel biomimeticchitosan-based nanocarrier with suppressing non-specific proteininteractions. （Materials Letters, 2012, 77: 38-40）。中国专利CN 195288 B公开了一种防止蛋白质吸附的眼镜材料的制造方法；中国专利CN 101979419 B公开一种具有抗吸附功能的高强度水凝胶及其制备方法，以上制备的生物材料在生物医用领域的应用也在不断拓展。
液晶态也是在生命体系中广泛存在，所有生物膜都具有典型的液晶结构，生命过程中的许多重要功能都与生物膜分子的液晶态构象与运动密切相关。从仿生设计的角度出发，模拟生物膜表面液晶态结构，制备了一系列生理温度下呈液晶态的液晶及其聚合物复合膜基生物材料，能表现出良好的血液相容性和细胞相容性，是一种理想仿生生物医用材料。中国组织工程研究与临床康复公开了一篇以陈海丰、曾戎、屠美等发表的名为液晶/聚氯乙烯复合膜的表面拓扑结构调控及蛋白吸附研究（中国组织工程研究与临床康复，2010，14（21）：3839-3842）。同时，国际著名期刊Carbohydrate Polymers也公开了：Wanqing Han,Mei Tu, Rong Zeng, Jianhao Zhao, Changren Zhou. Preparation, characterizationand cytocompatibility of polyurethane/cellulose based liquid crystalcomposite membranes. （Carbohydrate Polymers, 2012, 90(3): 1353-1361）。但上述液晶态材料在生理温度下在分子水平无法实现仿生结构的制造，且存在疏水性较大等缺点，限制了其应用。因此，制备一种在分子水平和聚集态结构上都可以实现仿生设计，且可改善液晶膜的表面亲水性和生物相容性，可广泛用于组织工程、医用敷料及介入和植入性医疗器械的生物医用材料是当前有待解决的难题。
发明内容
为了解决现有技术仿生生物医用材料仿生程度低，疏水性大的缺陷。本发明提供一种仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料的制备及其用途，以解决以上难题。
本发明的目的之一是提供一种仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）将聚合物液晶材料溶于成膜溶剂中形成浓度为1~10 wt%均质溶液，将其涂覆在基材上形成液晶膜；
（2）将步骤（1）得到的液晶膜浸入含浓度为2~20 wt%的磷酸胆碱的乙烯基单体和浓度为0.01~0.1moL/L阻聚剂的水溶液中浸泡0.5~12h，浸泡温度为20~60℃，然后在室温下进行共辐照处理，辐照总剂量为5k~100kGy；
（3）将步骤（2）中经辐照处理后的液晶膜取出，离子水清洗，真空干燥后，即得到一种仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料。
本发明仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料的制备方法中步骤（1）的聚合物液晶材料为为C3~12的羟丙基纤维素酯中的一种或其组合物，优选为羟丙基纤维素丙酯、羟丙基纤维素丁酯或羟丙基纤维素辛酯，在生理温度下呈现液晶态，可以构建具有良好生物相容性的高分子液晶复合材料。
在步骤（1）的成膜溶剂为四氢呋喃和丙酮中的一种或其组合物；所述的基材为高分子材料、金属或陶瓷，其中步骤（1）的涂覆工艺选自喷涂、旋涂、浸涂、淋涂、浇铸或流延的方式将聚合物液晶材料涂覆成液晶膜。
本发明仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料的制备方法中步骤（2）中液晶膜表面面积(cm2)∶水溶液体积(mL) = 5∶1～1∶5。
另外，步骤（2）中含磷酸胆碱的乙烯基单体为甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱或丙烯酰氧乙基磷酸胆碱；所述的阻聚剂为Cu2+或Fe2+盐；所述的共辐照为60Co-γ射线或电子束处理。
本发明的制备所得的仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料在制备医用敷料、介入器械、植入器械或与血液接触的医疗器械中的应用。
本发明的的原理：羟丙甲纤维素酸酯是一类胆甾型液晶态高分子，通过加入成膜溶剂涂覆成膜可形成模仿生物膜聚集态液晶结构的基膜；进一步利用共辐照技术引发含磷酸胆碱基团的乙烯基单体在其表面接枝聚合形成亲水性磷酸胆碱聚合物，从而获得同时模仿细胞膜的分子结构和聚集态结构的仿生液晶膜材料，具有优良的亲水性和生物相容性，在生物医用领域应用广泛。
总之，本发明的仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料，相对于现有技术具有如下的优点及效果：
与现有技术相比，本发明所述的制备方法工艺简单、成本低、生产周期短、具有良好的工业化实用前景，且利用民用核技术做到了节能减排，降低环境污染；得到的仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料同时模仿了细胞膜的分子结构和聚集态结构，具有良好的表面生物性能，在医用敷料、介入植入器械、与血液接触的医疗器械等领域应用广泛。
附图说明：
图1为本发明细胞膜仿生高分子液晶膜材料辐照接枝前后的X射线光电子能谱图；
其中：1为细胞膜仿生高分子液晶膜材料辐照接枝前的X射线光电子能谱图，
2为细胞膜仿生高分子液晶膜材料辐照接枝后的X射线光电子能谱图。
具体实施方式：
以下通过具体实施方式的描述对本发明作进一步说明，但这并非是对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种修改或改进，但是只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的范围之内。
实施例1、本发明仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料的制备
（1）将生理温度下呈液晶态的羟丙基纤维素丁酯（BPC）溶于丙酮中形成质量浓度为1%的均质溶液，将其喷涂在医用不锈钢片上形成BPC液晶膜；
（2）将面积为20cm2的BPC液晶膜浸入20mL含2wt%的甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱和0.02mol/L的硫酸铁溶液中，室温浸泡2h；然后采用高能电子束辐照，辐照总剂量为60kGy；
（3）将辐照处理后的液晶膜取出，去离子水清洗，常温真空干燥，即得到仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料：表面接枝聚甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱的羟丙基纤维素丁酯（PMPC-g-BPC）。
实施例2、本发明仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料的制备
（1）将生理温度下呈液晶态的羟丙基纤维素辛酯（OPC）溶于四氢呋喃中形成质量浓度为6%的均质溶液，将其浇铸在PET底膜上形成OPC液晶膜；
（2）室温下将面积为10cm2的OPC液晶膜浸入10mL含5wt%的甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱和0.05mol/L的硝酸铜溶液中，浸泡12h；然后采用高能电子束辐照，辐照总剂量为20kGy；
（3）将辐照处理后的液晶膜取出，去离子水清洗，常温真空干燥，即得到仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料：表面接枝聚甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱的羟丙基纤维素辛酯（PMPC-g-OPC）。
实施例3、本发明仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料的制备
（1）将生理温度下呈液晶态的羟丙基纤维素丙酯（PPC）溶于丙酮中形成质量浓度为8%的均质溶液，将其浸涂在聚氨酯管上形成PPC液晶膜；
（2）将面积为10cm2的PPC液晶膜浸入20mL含8wt%的甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱和0.05mol/L的硫酸铁溶液中，50℃浸泡1h；然后采用60Co-γ射线在氮气气氛中辐照，辐照总剂量为30kGy；
（3）将辐照处理后的液晶膜取出，去离子水清洗，40℃真空干燥，即得到仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料：表面接枝聚甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱的羟丙基纤维素丙酯（PMPC-g-PPC）。
实施例4、本发明仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料的制备
（1）将生理温度下呈液晶态的羟丙基纤维素丁酯（BPC）溶于丙酮中形成质量浓度为10%的均质溶液，将其喷涂在PP膜上形成BPC液晶膜；
（2）将面积为10cm2的BPC液晶膜浸入10mL含20wt%的甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱和0.02mol/L的硫酸铁溶液中，室温浸泡2h；然后采用高能电子束辐照，辐照总剂量为60kGy；
（3）将辐照处理后的液晶膜取出，去离子水清洗，常温真空干燥，即得到仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料：表面接枝聚甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱的羟丙基纤维素丁酯（PMPC-g-BPC）。
实施例5、本发明仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料的性能检测试验
采用偏光显微镜观察分别按照实施例1、2、3、4制备获得的仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料的表面织构；采用X射线光电子能谱测试仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料表面的接枝情况，若图片显示新增证明有N、P元素，即证明接枝成功；依据国家标准GB/T16886.4和16886.5测试细胞膜结构的聚合物液晶膜材料的体外生物相容性和对L929的细胞毒性；结果如表1所示：
表1 本发明分别按照实施例1、2、3、4制备获得的仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料的检测试验结果
由上述表1可知，本发明分别按照实施例1、2、3、4制备获得的的仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料在偏光显微镜观察其表面呈典型的胆甾型液晶的彩色油状织构；X射线光电子能谱测试表明表面接枝后新增N、P元素，证明PMPC成功在表面接枝；依据国家标准GB/T16886.4和16886.5测试PMPC-g-BPC细胞膜仿生液晶膜的体外生物相容性，结果表明其溶血率低于5%，其对L929的细胞毒性均为0级，表现出良好的血液相容性和细胞相容性，满足医用材料及器械的安全性要求，其中实施例4制备获得的仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料为本发明的最佳仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料。
实施例6、本发明仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料的亲水性检测试验
将辐照接枝前的仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料与本发明分别按照实施例1、2、3、4制备获得的仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料进行水接触角测试，结果如表2所示：
表2 本发明分别按照实施例1、2、3、4制备获得的仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料的亲水性检测试验
由表2的可知，经辐照接枝后的仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料的水接触角明显降低，大大改善仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料的亲水性，其中实施例4制备获得的仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料的水接触角的降低幅度最大，亲水性改善较大，为本发明的最佳仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料。
Claims (3)
1.一种仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将生理温度下呈液晶态的羟丙基纤维素丁酯(BPC)溶于丙酮中形成质量浓度为10％的均质溶液，将其喷涂在PP膜上形成BPC液晶膜；
(2)将面积为10cm2的BPC液晶膜浸入10mL含20wt％的甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱和0.02mol/L的硫酸铁溶液中，室温浸泡2h；然后采用高能电子束辐照，辐照总剂量为60kGy；
(3)将辐照处理后的液晶膜取出，去离子水清洗，常温真空干燥，即得到仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料：表面接枝聚甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱的羟丙基纤维素丁酯(PMPC-g-BPC)。
2.一种由权利要求1所述的制备方法制备的仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料。
3.如权利要求2所述的仿细胞膜结构的聚合物液晶膜材料在制备医用敷料、介入器械、植入器械或与血液接触的医疗器械中的应用。
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