CN108003369B - 一种仿细胞外层膜结构的涂层表面的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仿细胞外层膜结构的涂层表面的制备方法。本发明将含有两性离子磷酰胆碱基团的乙烯基单体、含有氨基的乙烯基单体通过简单的溶液自由基聚合，合成含有氨基的磷酰胆碱聚合物，并将其与戊二醛溶于极性溶剂中，然后掺杂氧化石墨烯极性溶剂分散溶液混合均匀，涂覆在需要改性的材料表面经处理，即可获得稳定仿细胞外层膜结构的涂层表面。这种制备方法简单、条件温和，为获得血液相容性优异的涂层表面提供了一种新的途径。这种仿细胞外层膜结构的改性材料，将在血液净化，体内植入材料，组织工程，药物缓释及生物传感器等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种仿细胞外层膜结构的涂层表面的制备方法
技术领域
本发明属于材料表面科学和生物医用高分子材料技术领域，具体涉及一种仿细胞外层膜结构的涂层表面的制备方法。
背景技术
壳聚糖具有可降解性、抗菌性、无毒、无刺激、pH响应性等优点(CarbohydratePolymers 2010,79:724-730)，已经被广泛应用于生物医学等领域。越来越多的研究表明：壳聚糖及其衍生物材料可以用于血液净化。壳聚糖分子上的氨基有助于对血液中多种毒素的吸附，可以用于血液灌流材料(高等学校化学学报2002,23:75-77；Journal ofMicroencapsulation 1993,10:475-486)。壳聚糖膜具有高的透析率，选择性和强度，可以用作血液透析材料(Journal of Applied Polymer Science1992,46:255-261；263-269)。虽然壳聚糖及其衍生物作为血液净化材料具有许多优点，但是也存在着蛋白质吸附，血小板黏附，最终导致凝血，形成血栓等问题，所以提高壳聚糖及其衍生物材料的血液相容性迫在眉睫(Applied Surface Science2005,241:485-492；Biomaterials 2002,23:2561-2568；Biomaterials 2003,24:3213-3220)。
磷酰胆碱(phosphorylcholine，PC)是组成细胞膜基本单元卵磷脂的亲水端基，是细胞外层膜中的外层官能团，同时带有正、负异种电荷，具有较强的结合水的能力和亲水性能，这种结构和组成的表面与生理环境相互作用不仅不会吸附和沉积蛋白质，也不会引发血小板激活、导致凝血等不良反应，具有良好生物相容性。近几年来的研究表明，采用磷酰胆碱基团及其聚合物在材料表面构建具有仿细胞外层膜结构，可以显著改善材料的血液相容性。
近年来，采用接枝磷酰胆碱小分子的途径(Carbohydrate Polymers 2007，70:82-88；Biomacromolecules 2007,8:3169-3176；Biomacromolecules 2006,7:3151-3156；Journal of Applied Polymer Science 2003,88:489-493；Polymer International2003,52:81-85；Journal of biomaterials science,Polymer edition 2002,13:501-510；Colloids and Surfaces B:Biointerfaces 2009,71:268-274)改性壳聚糖，使得壳聚糖的血液相容性显著提高。但是，这些方式往往在材料表面的磷酰胆碱基团的密度不高，限制了其在生物医用材料改性领域的应用和血液相容性的进一步提高。
为此，将含有磷酰胆碱基团的甲基丙烯酸-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱二元共聚物(PMA)聚阴离子，与壳聚糖(聚阳离子)进行层层静电自组装，获得了具有仿细胞外层膜结构的涂层表面(Colloids and Surfaces B:Biointerfaces 2011,85:48-55)。蛋白质吸附和血小板黏附的实验结果表明：改性后表面的血液相容性有了显著提高。鉴于这种改性方法的种种优势，必将为提升生物医用材料的血液相容性提供技术支撑。然而，以物理吸附方式结合在移植器件表面的仿细胞外层膜结构聚合物涂层，在体内复杂环境中难免发生溶解、脱落。为此，Lewis和徐建平等(Biomaterials 2001,22:99-111；Biomaterials 2004,25:3099-3108；European Polymer Journal 2004,40:291-298)分别对含有三甲氧基硅基团和磷酰胆碱基团的聚合物涂层进行了研究。结果表明，涂层中聚合物分子链上三甲氧基硅基团遇水会发生水解、交联，也可与基材表面的活性基团形成共价键，从而使磷酰胆碱类聚合物涂层的稳定性得到显著提高。由此可见，聚合物之间的交联及其与基材表面官能团的反应，是提高磷酰胆碱类聚合物涂层稳定性的关键因素。
然而，该聚合物在合成过程中可交联基团易水解、交联，使得其合成过程条件过于苛刻、难以保存，致使其应用范围受限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种仿细胞外层膜结构的涂层表面的制备方法。将含有两性离子磷酰胆碱基团的乙烯基单体、含有氨基乙烯基单体通过简单的溶液自由基聚合，合成含有氨基的磷酰胆碱聚合物，并将其与戊二醛溶于极性溶剂中，然后掺杂氧化石墨烯极性溶剂分散溶液混合均匀，涂覆在需要改性的材料表面、晾干，通过温度控制磷酰胆碱聚合物中氨基及壳聚糖膜表面氨基与戊二醛反应的同时使氧化石墨烯中环氧基及羧基与磷酰胆碱聚合物中氨基及壳聚糖膜表面氨基反应，使得涂层的密度增大并锚定基材，达到在材料表面固定磷酰胆碱基团的目的，即可获得稳定仿细胞外层膜结构的涂层表面。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种仿细胞外层膜结构的涂层表面的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将含有两性离子磷酰胆碱基团的乙烯基单体、含有氨基的乙烯基单体通过溶液自由基聚合，合成含有氨基的两性离子聚合物；
步骤二、将含有氨基的两性离子聚合物与戊二醛溶于极性溶剂中，然后掺杂氧化石墨烯的极性溶剂分散溶液并混合均匀，将混合液涂覆在需要改性的材料表面，晾干；
步骤三、将晾干后的待改性材料置于蒸馏水中，在80℃～95℃条件下加热处理2h～12h，然后用溶剂洗涤，得到稳定仿细胞外层膜结构的涂层表面。
步骤一中，含有两性离子磷酰胆碱基团的乙烯基单体为2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱单体；所述含有氨基的乙烯基单体为2-氨乙基甲基丙烯酸酯盐酸盐单体。
步骤一中，含有两性离子磷酰胆碱基团的乙烯基单体与含有氨基的乙烯基单体摩尔比为(85:15)～(60:40)。
步骤一中，自由基聚合的引发剂为过硫酸钾。
步骤二中，极性溶剂为甲醇或乙醇。
步骤二中，含有氨基的两性离子聚合物与戊二醛溶液中，含有氨基的两性离子聚合物的浓度为0.5～5mg/mL。
步骤二中，含有氨基的两性离子聚合物中的氨基与戊二醛中醛基的摩尔比为100∶(5～15)。
步骤二中，氧化石墨烯的加入量为含有氨基的磷酰胆碱聚合物质量的0.2％～1.0％。
步骤二中，需要改性的材料为壳聚糖膜。
步骤三中，溶剂洗涤依次用甲醇、蒸馏水洗涤。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明的含氨基的磷酰胆碱聚合物是通过含有磷酰胆碱的乙烯基单体与含有氨基的乙烯基单体采用自由基聚合法合成的二元随机共聚物，该二元共聚物与戊二醛物质混合在掺杂氧化石墨烯后涂覆在被修饰材料表面，通过温度控制磷酰胆碱聚合物中氨基及壳聚糖膜表面氨基与戊二醛反应的同时使氧化石墨烯中环氧基及羧基与磷酰胆碱聚合物中氨基及壳聚糖膜表面氨基反应，使得涂层的密度增大并锚定基材，达到在材料表面固定磷酰胆碱基团的目的，即可获得稳定仿细胞外层膜结构的涂层表面。本发明通过氧化石墨烯表面环氧基与磷酰胆碱聚合物中氨基的反应，交联提高涂层的稳定性。制备的稳定仿细胞外层膜结构涂层的制备方法简单、条件温和，为获得稳定的具有仿细胞外层膜结构的涂层表面提供了一种新的途径。本发明的稳定仿细胞外层膜结构涂层将在血液净化，体内植入材料，组织工程，药物缓释及生物传感器等领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明壳聚糖膜(CS)和改性壳聚糖膜(CS-GO-PMH20-GA)的AFM图。
图2为本发明壳聚糖膜(CS)和改性壳聚糖膜(CS-GO-PMH20-GA)的稳定性。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
称取16mmol 2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱和4mmol 2-氨乙基甲基丙烯酸酯盐酸盐，以0.1mmol过硫酸钾为引发剂，在氮气保护下，70℃聚合反应24h，反应结束后透析，然后在-50℃下冷冻干燥，得到含氨基的磷酰胆碱聚合物PMH20(20代表聚合物合成过程中氨基的乙烯单体投料摩尔比为20％)。
用400MHz核磁共振仪以D2O为溶剂测试聚合物的氢核磁。在5～7ppm处未见出峰，表明所得共聚物中没有残余单体，并成功合成了该聚合物，以3.28ppm处为-N+(CH3)3特征峰，0.9～2.2ppm处为主链上亚甲基和侧链甲基的峰计算聚合物组成，可知该聚合物组成与投料比基本一致。
将含有氨基的磷酰胆碱聚合物与戊二醛按氨基与醛基摩尔比为100∶10溶于甲醇溶剂中混合均匀后，使含有氨基的磷酰胆碱聚合物的浓度为1.0mg/mL，涂覆在壳聚糖材料(CS)表面晾干，然后经蒸馏水中90度处理6h，之后依次用大量的甲醇、蒸馏水洗涤，即可得对比样品(CS-PMH20-GA)。
将本实施例含有氨基的磷酰胆碱聚合物与戊二醛按氨基与醛基摩尔比为100∶10溶于甲醇溶剂中混合均匀后，使含有氨基的磷酰胆碱聚合物的浓度为1.0mg/mL，然后掺杂氧化石墨烯的甲醇分散溶液，氧化石墨烯质量为约为含有氨基的磷酰胆碱聚合物质量的0.5％，氧化石墨烯的极性溶剂分散溶液采用超声分散，再涂覆在壳聚糖材料表面晾干(CS-GO/PMH20-GA)，然后经蒸馏水中90度处理6h，之后依次用大量的甲醇、蒸馏水洗涤，即可得到稳定仿细胞外层膜结构的涂层表面(CS-GO-PMH20-GA)。
如图1所示，本实施例经涂层处理的壳聚糖材料与未经涂层处理的壳聚糖材料相比，经涂层处理的壳聚糖的表面形貌显著不同，这说明亲水性含有氨基的磷酰胆碱基团被固定在壳聚糖表面，获得具有仿细胞外层膜结构的表面。
如图2所示，本实施例经涂层处理的壳聚糖材料与未经涂层处理的壳聚糖材料相比，经涂层处理的壳聚糖的前进角降低，这是因为亲水性含有氨基的磷酰胆碱聚合物通过磷酰胆碱聚合物中氨基及壳聚糖膜表面氨基与戊二醛反应的同时使氧化石墨烯中环氧基及羧基与磷酰胆碱聚合物中氨基及壳聚糖膜表面氨基反应，使得涂层的密度增大并锚定基材。经各种溶剂处理后前进角基本保持不变，而对比样品的前进角有所增加，这表明该方法可以获得稳定仿细胞外层膜结构的表面。
实施例2
称取17mmol 2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱和3mmol 2-氨乙基甲基丙烯酸酯盐酸盐，以0.1mmol过硫酸钾为引发剂，在氮气保护下，70℃聚合反应24h，反应结束后透析，然后在-50℃下冷冻干燥，得到含氨基的磷酰胆碱聚合物。
将本实施例含有氨基的磷酰胆碱聚合物与戊二醛按氨基与醛基摩尔比为100∶5溶于乙醇溶剂中混合均匀后，使含有氨基的磷酰胆碱聚合物的浓度为0.5mg/mL，掺杂氧化石墨烯乙醇分散溶液，氧化石墨烯约为含有氨基的磷酰胆碱聚合物质量的0.2％，再涂覆在壳聚糖材料表面晾干，然后经蒸馏水中80度处理12h，之后依次用大量的甲醇、蒸馏水洗涤，即可得到稳定仿细胞外层膜结构的涂层表面。
实施例3
称取12mmol 2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱和8mmol 2-氨乙基甲基丙烯酸酯盐酸盐，以0.1mmol过硫酸钾为引发剂，在氮气保护下，70℃聚合反应24h，反应结束后透析，然后在-50℃下冷冻干燥，得到含氨基的磷酰胆碱聚合物。
将本实施例含有氨基的磷酰胆碱聚合物与戊二醛按氨基与醛基摩尔比为100∶15溶于甲醇溶剂中混合均匀后，使含有氨基的磷酰胆碱聚合物的浓度为5mg/mL，掺杂氧化石墨烯甲醇分散溶液，氧化石墨烯约为含有氨基的磷酰胆碱聚合物质量的1％，再涂覆在壳聚糖材料表面晾干，然后经蒸馏水中95度处理2h，之后依次用大量的甲醇、蒸馏水洗涤，即可得到稳定仿细胞外层膜结构的涂层表面。
实施例4
称取15mmol 2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱和5mmol 2-氨乙基甲基丙烯酸酯盐酸盐，以0.1mmol过硫酸钾为引发剂，在氮气保护下，70℃聚合反应24h，反应结束后透析，然后在-50℃下冷冻干燥，得到含氨基的磷酰胆碱聚合物。
将本实施例含有氨基的磷酰胆碱聚合物与戊二醛按氨基与醛基摩尔比为100∶7溶于甲醇溶剂中混合均匀后，使含有氨基的磷酰胆碱聚合物的浓度为2mg/mL，掺杂氧化石墨烯甲醇分散溶液，氧化石墨烯约为含有氨基的磷酰胆碱聚合物质量的0.3％，再涂覆在壳聚糖材料表面晾干，然后经蒸馏水中85度处理10h，之后依次用大量的甲醇、蒸馏水洗涤，即可得到稳定仿细胞外层膜结构的涂层表面。
实施例5
称取14mmol 2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱和6mmol 2-氨乙基甲基丙烯酸酯盐酸盐，以0.1mmol过硫酸钾为引发剂，在氮气保护下，70℃聚合反应24h，反应结束后透析，然后在-50℃下冷冻干燥，得到含氨基的磷酰胆碱聚合物。
将本实施例含有氨基的磷酰胆碱聚合物与戊二醛按氨基与醛基摩尔比为100∶9溶于乙醇溶剂中混合均匀后，使含有氨基的磷酰胆碱聚合物的浓度为3mg/mL，掺杂氧化石墨烯乙醇分散溶液，氧化石墨烯约为含有氨基的磷酰胆碱聚合物质量的0.7％，涂覆在壳聚糖材料表面晾干，然后经蒸馏水中83度处理11h，之后依次用大量的甲醇、蒸馏水洗涤，即可得到稳定仿细胞外层膜结构的涂层表面。
实施例6
称取13mmol 2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱和7mmol 2-氨乙基甲基丙烯酸酯盐酸盐，以0.1mmol过硫酸钾为引发剂，在氮气保护下，70℃聚合反应24h，反应结束后透析，然后在-50℃下冷冻干燥，得到含氨基的磷酰胆碱聚合物。
将本实施例含有氨基的磷酰胆碱聚合物与戊二醛按氨基与醛基摩尔比为100∶11溶于乙醇溶剂中混合均匀后，使含有氨基的磷酰胆碱聚合物的浓度为4mg/mL，掺杂氧化石墨烯乙醇分散溶液，氧化石墨烯约为含有氨基的磷酰胆碱聚合物质量的0.9％，再涂覆在壳聚糖材料表面晾干，然后经蒸馏水中87度处理9h，之后依次用大量的甲醇、蒸馏水洗涤，即可得到稳定仿细胞外层膜结构的涂层表面。
实施例7
称取16mmol 2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱和4mmol 2-氨乙基甲基丙烯酸酯盐酸盐，以0.1mmol过硫酸钾为引发剂，在氮气保护下，70℃聚合反应24h，反应结束后透析，然后在-50℃下冷冻干燥，得到含氨基的磷酰胆碱聚合物。
将本实施例含有氨基的磷酰胆碱聚合物与戊二醛按氨基与醛基摩尔比为100∶13溶于甲醇溶剂中混合均匀后，使含有氨基的磷酰胆碱聚合物的浓度为1.5mg/mL，掺杂氧化石墨烯甲醇分散溶液，氧化石墨烯约为含有氨基的磷酰胆碱聚合物质量的0.4％，再涂覆在壳聚糖材料表面晾干，然后经蒸馏水中92度处理4h，之后依次用大量的甲醇、蒸馏水洗涤，即可得到稳定仿细胞外层膜结构的涂层表面。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种仿细胞外层膜结构的涂层表面的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将含有两性离子磷酰胆碱基团的乙烯基单体、含有氨基的乙烯基单体通过溶液自由基聚合，合成含有氨基的两性离子聚合物；
含有两性离子磷酰胆碱基团的乙烯基单体为2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱单体；所述含有氨基的乙烯基单体为2-氨乙基甲基丙烯酸酯盐酸盐单体；
步骤二、将含有氨基的两性离子聚合物与戊二醛溶于极性溶剂中，然后掺杂氧化石墨烯的极性溶剂分散溶液并混合均匀，将混合液涂覆在需要改性的材料表面，晾干；
需要改性的材料为壳聚糖膜；
步骤三、将晾干后的待改性材料置于蒸馏水中，在80℃～95℃条件下加热处理2h～12h，然后用溶剂洗涤，得到稳定仿细胞外层膜结构的涂层表面。
2.根据权利要求1所述的一种仿细胞外层膜结构的涂层表面的制备方法，其特征在于，步骤一中，含有两性离子磷酰胆碱基团的乙烯基单体与含有氨基的乙烯基单体摩尔比为(85:15)～(60:40)。
3.根据权利要求1所述的一种仿细胞外层膜结构的涂层表面的制备方法，其特征在于，步骤一中，自由基聚合的引发剂为过硫酸钾。
4.根据权利要求1所述的一种仿细胞外层膜结构的涂层表面的制备方法，其特征在于，步骤二中，极性溶剂为甲醇或乙醇。
5.根据权利要求1所述的一种仿细胞外层膜结构的涂层表面的制备方法，其特征在于，步骤二中，含有氨基的两性离子聚合物与戊二醛溶液中，含有氨基的两性离子聚合物的浓度为0.5～5mg/mL。
6.根据权利要求1所述的一种仿细胞外层膜结构的涂层表面的制备方法，其特征在于，步骤二中，含有氨基的两性离子聚合物中的氨基与戊二醛中醛基的摩尔比为100∶(5～15)。
7.根据权利要求1所述的一种仿细胞外层膜结构的涂层表面的制备方法，其特征在于，步骤二中，氧化石墨烯的加入量为含有氨基的磷酰胆碱聚合物质量的0.2％～1.0％。
8.根据权利要求1所述的一种仿细胞外层膜结构的涂层表面的制备方法，其特征在于，步骤三中，溶剂洗涤依次用甲醇、蒸馏水洗涤。
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