CN110964222A - 具有抗蛋白质非特异性吸附的氟修饰硅橡胶及其制备方法与应用 - Google Patents

具有抗蛋白质非特异性吸附的氟修饰硅橡胶及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了具有抗蛋白质非特异性吸附的氟修饰硅橡胶及其制备方法与应用。所述方法为：(1)将硅橡胶浸入水中，温育，得到处理后的硅橡胶；(2)按体积百分数计，将1～10％含氟硅烷、78～81％甲醇和12～18％乙酸水溶液混合均匀，加入步骤(1)处理后的硅橡胶，反应，洗涤，干燥，得到具有抗蛋白质非特异性吸附的氟修饰硅橡胶。本发明将具有疏水性质的含氟硅烷修饰硅橡胶，以构建一种具有抗蛋白质黏附和成纤维细胞黏附的硅橡胶表面，并通过细胞实验验证该材料的性质，从而实现增强硅橡胶表面的抗蛋白质黏附和成纤维细胞作用。该材料具有较好的抗蛋白质黏附性和生物相容性，是一种能用于植入人体设备领域的改性材料。

Description

具有抗蛋白质非特异性吸附的氟修饰硅橡胶及其制备方法与 应用
技术领域
本发明属于生物医学材料的表面改性领域，具体涉及具有抗蛋白质非特异性吸附的氟修饰硅橡胶及其制备方法与应用。
背景技术
将合成生物材料暴露于生物介质中常常会引起一系列复杂的连锁反应。这些界面相关的现象往往导致一些严重的临床并发症，如植入相关感染或血栓形成的血液接触人工表面。人们普遍认为，这一生物学序列的第一步是蛋白质与外表面的相互作用。因此，抑制蛋白质对表面的吸附是多种生物医学设备在一定时间内提高生物相容性的关键要求。显然，生物材料研究的重点是设计新的材料，可以抵抗蛋白质的非特异性吸附。由蛋白质与固体表面的相互作用[Protein Interactions with Polymer Coatings and Biomaterials]而引起的非特异性吸附会显著影响生物医学装置或植入物的性能。在生物医用材料领域，植入材料表面的蛋白质非特异性吸附会诱导凝血现象的发生；生物传感器的蛋白质非特异性吸附会导致检测出现偏差；生化分离膜上的蛋白质吸附会造成堵塞失效等。蛋白质吸附是一种非特异性的反应。溶剂表面的相互作用与水与吸附剂表面的粘附有关，或由于蛋白质与表面的一种或多种相互作用，包括范德华相互作用、静电相互作用、氢键和疏水相互作用而引起的。如何消除或减少蛋白质在固体表面上的非特异性吸附依旧是在生物医用材料及其他相关研究领域中的一项巨大挑战。
生物材料和医疗设备在植入活体组织或与人体血液接触时诱导组织反应。在几秒钟内，非特异性蛋白吸附在种植体表面，并可迅速引发一系列生物反应，可能包括异物反应。这种生物反应可能导致纤维性无血管包膜的产生，这种包膜将设备与其靶组织隔离，阻碍膜和生物传感器的有效性，表面润湿性(通常称为疏水性/亲水性)是影响植入材料生物反应的最重要参数之一。润湿性影响蛋白质吸附、血小板粘附/活化、凝血和细胞以及细菌粘附。
硅橡胶的优点是耐高热、耐老化，可高压蒸气消毒、抗腐蚀、与人体组织及血液相容、有一定的抗凝作用。可见它是医用硅胶电极的理想材料,但是单纯的硅橡胶管本身无抗菌和抗凝血作用，容易反复发生感染。改性后的硅橡胶电极可降低植入力，减少植入创伤，降低炎症。长期植入的硅胶电极会引起蛋白质黏附和细胞黏附，导致电极的导电性被隔绝，失去有效性。
因此，如何实现通过简单的合成具有抗蛋白质非特异吸附的材料应用于植入医疗设备，提高生物相容性，便成为当前植入式医疗设备领域亟待解决的重要课题。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供具有抗蛋白质非特异性吸附的氟修饰硅橡胶的制备方法。
本发明另一目的在于提供上述方法制得的具有抗蛋白质非特异性吸附的氟修饰硅橡胶。
本发明的再一目的在于提供上述具有抗蛋白质非特异性吸附的氟修饰硅橡胶的应用。
本发明以硅橡胶为原料，采用偶气相沉积的方法，在硅橡胶表面修饰了具有含氟结构单元的共聚物，制备了具有良好的抗蛋白质黏附性能的硅橡胶。所述的共聚物具有疏水性的含有CF3的结构单元，可提供良好的抗蛋白质黏附和细胞黏附以及长时间稳定的性能。
本发明目的通过以下技术方案实现：
具有抗蛋白质非特异性吸附的氟修饰硅橡胶的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅橡胶浸入水中，在60～100℃温育12～24h，干燥，得到处理后的硅橡胶；
(2)按体积百分数计，将1～10％含氟硅烷、78～81％甲醇和12～18％乙酸水溶液混合均匀，加入步骤(1)处理后的硅橡胶，在真空度为10～101.325KPa、25～40℃下反应10～24h，洗涤，干燥，得到具有抗蛋白质非特异性吸附的氟修饰硅橡胶。
优选的，步骤(1)所述硅橡胶在浸入水前，需经水超声清洗、干燥和臭氧处理；所述干燥为真空干燥，真空干燥的真空度为10～60KPa，温度为100～150℃，时间为24～48h；所述臭氧处理的条件为：在90～120W的UV光下处理10～40min。
臭氧处理的目的是除去表面氧化物和其他污染物。
优选的，步骤(1)所述硅橡胶为硅橡胶片，其厚度为1～5mm，大小为10cm×10cm。
优选的，步骤(1)所述温育的温度为80℃，时间为24h。
优选的，步骤(1)所述干燥为在氮气、真空度为10～50KPa、温度为10～35℃的条件下干燥24～48h。
优选的，步骤(2)所述含氟硅烷为十三氟辛基三乙氧基硅烷和十七氟癸基三甲氧基硅烷中的至少一种。
优选的，步骤(2)所述处理后的硅橡胶完全浸泡在体积百分数为1～10％含氟硅烷、78～81％甲醇和12～18％乙酸水溶液的混合液中。
优选的，步骤(2)所述含氟硅烷的体积百分数为1～5％。
优选的，步骤(2)所述乙酸水溶液的质量浓度为10～50％。
优选的，步骤(2)所述洗涤指：将产物先后用甲苯、体积比为1：(1～5)的甲苯-乙醇混合溶液、无水乙醇反复冲洗直至上清液无固体等残留物。
优选的，步骤(2)所述干燥的温度为90～125℃，干燥的时间为10～24h。
优选的，步骤(2)所述具有抗蛋白质非特异性吸附的氟修饰硅橡胶可保存于甲醇中。
以十三氟辛基三乙氧基硅烷为例，本申请所述方法的反应方程如下反应式所示：
Figure BDA0002331197920000041
上述方法制得的具有抗蛋白质非特异性吸附的氟修饰硅橡胶。
上述具有抗蛋白质非特异性吸附的氟修饰硅橡胶在医疗器械植入材料领域中的应用。
优选的，所述具有抗蛋白质非特异性吸附的氟修饰硅橡胶用于制备植入设备人工耳蜗电极和植入心脏起搏器。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
(1)本发明所述具有抗蛋白质非特异性吸附的氟修饰硅橡胶的制备方法温和、操作方便，副产物少且产物易于分离纯化，有利于材料的生物相容性。
(2)本发明材料原料易得、生物相容性好，有利于工厂生产以及大力利用，有利于拓展该材料的应用领域和开发新应用。
(3)本发明所述具有抗蛋白质非特异性吸附的氟修饰硅橡胶中，氟化硅基分子可保持表面的粗糙度，使材料极度疏水，蛋白质不容易黏附，在体内作用时间可以维持很长，可有效提高使用效果和设备使用寿命。
(4)本发明中共价结合的氟聚合物刷对微/纳米结构材料进行改性，增加接枝氟化材料的厚度，可显著提高稳定性。
附图说明
图1为实施例1制备的十三氟辛基三乙氧基硅烷修饰的硅橡胶的傅里叶红外光谱图。
图2为实施例1中未改性硅橡胶的接触角图。
图3为实施例1制备的十三氟辛基三乙氧基硅烷修饰的硅橡胶的接触角图。
图4为实施例2中未改性硅橡胶抗蛋白质黏附的荧光结果图。
图5为实施例2中十三氟辛基三乙氧基硅烷修饰的硅橡胶抗蛋白质黏附的荧光结果图。
图6为实施例3中未改性的硅橡胶抗细胞黏附的显微镜结果图。
图7为实施例3中十三氟辛基三乙氧基硅烷修饰的硅橡胶抗细胞黏附的显微镜结果图。
图8为实施例4中硅橡胶和十三氟辛基三乙氧基硅烷修饰的硅橡胶的细胞增殖实验结果柱状图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或者制造商建议的条件进行。所用未注明生产厂商者的原料、试剂等，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本申请实施例中所用小鼠成纤维细胞(L929)购买于南方医科大学，但其他市售途径获得的小鼠成纤维细胞(L929)也可实现本申请的技术效果。
实施例1
将10cm×10cm×1mm的硅橡胶片放在1L烧杯里用去离子水超声清洗，然后在真空度为10KPa、温度为129℃下干燥24h，将硅橡胶表面在110W的UV光下清洗20分钟，以除去表面氧化物和其他污染物。臭氧处理后，立即将硅橡胶片浸入去离子水中并烘箱中80℃温育24小时，然后在氮气、真空度为50KPa、温度为25℃下干燥24h，密封保存；室温下，按体积百分数计，将5％十三氟辛基三乙氧基硅烷(PFOTES)和81％甲醇、14％质量分数为36％的乙酸水溶液加到干燥的培养皿中，混合溶液的总体积为20ml；放入清洗干净的硅橡胶片(10cm×10cm×1mm)，用保鲜膜将培养皿密封后放在真空干燥箱中，抽真空约15min(真空度为50KPa)，37℃反应10小时；将所得的改性硅橡胶用甲苯、甲苯/乙醇(1:1v/v)和无水乙醇反复冲洗后于105℃烘箱中烘干16h，得到十三氟辛基三乙氧基硅烷修饰的硅橡胶。浸泡在甲醇中备用。
实施例2
将实施例1所得十三氟辛基三乙氧基硅烷修饰的硅橡胶用去离子水清洗3次，用PBS缓冲液(pH＝7.4)浸泡60min，N2吹干；将培养皿用PBS缓冲液(pH＝7.4)润洗3次；牛血清蛋白用pH＝7.4的PBS缓冲液配制成浓度为5mg/L的BSA溶液；然后将BSA溶液加入培养皿，加入十三氟辛基三乙氧基硅烷修饰的硅橡胶(完全没入BSA溶液中)，室温浸泡24h，反应结束后取出硅橡胶用PBS缓冲液清洗3次，再用去离子水清洗3次，然后用N2吹干，最后放在荧光显微镜下观察荧光。
实施例3
将实施例1中未改性的硅橡胶、PFOTES改性的硅橡胶用适量蒸馏水冲洗次后并用氮气吹干，置于20mL 37℃的生理盐水中温育0.5h，然后将硅橡胶、PFOTES改性硅橡胶置于超净台中紫外灭菌，之后分别加入到24孔板细胞培养板内(每孔中硅橡胶或改性硅橡胶的尺寸是0.5cm×0.5cm×1mm)，每孔加入500μL DMEM完全培养基(DMEM基培加5％的胎牛血清(品牌Gibco，货号A3160802)和1％的双抗(品牌Gibco，货号15140-122，其中双抗成分：每毫升双抗包含10000units青霉素和10000μg链霉素)，置于5％CO2中，37℃培养箱中平衡24h。吸弃培养基，加入500μL小鼠成纤维细胞(L929)细胞悬浮液(培养基为DMEM完全培养基)，其中L929细胞密度为100000cells每孔，培育24h后取出硅橡胶放入干净的培养板中，加入2mL多聚甲醛固定液(质量浓度为4％的多聚甲醛PBS溶液)固定1h，用PBS缓冲液洗涤3次，分别用70％、85％、95％、100％的乙醇脱洗，然后自然晾干，显微镜观察。
实施例4
将实施例1中未改性的硅橡胶、PFOTES改性的硅橡胶用适量蒸馏水冲洗次后并用氮气吹干，置于20mL 37℃的生理盐水中温育0.5h，然后将硅橡胶、PFOTES改性硅橡胶置于超净台中紫外灭菌，之后分别加入到24孔板细胞培养板内，每孔加入500μL DMEM完全培养基，置于5％CO2中，37℃培养箱中平衡24h。在培养板中加入1mL细胞悬浮液，使消化、传代后的L929细胞密度为5000cells每孔，同时每孔加入50μL阿尔玛蓝试剂；参照组为无硅橡胶材料的纯细胞组。按照时间点1、3、5天分别从每孔内取出100μL液体，用荧光分光光度计测定其相对荧光强度，所述荧光分光光度计参数为：激发波长530～560nm，发射波长590～650nm，增益50～100。
将实施例1中制备的十三氟辛基三乙氧基硅烷(PFOTES)修饰的硅橡胶进行红外光谱表征，结果如图1所示，吸收峰在1074cm-1和798.5cm-1为硅氧键Si-O的峰，CF3所对应的吸收峰在1197cm-1和705cm-1；结果证明成功合成了十三氟辛基三乙氧基硅烷(PFOTES)修饰的硅橡胶表面。
将实施例1中制备的十三氟辛基三乙氧基硅烷(PFOTES)修饰的硅橡胶进行接触角表征，结果如图3所示，修饰了PFOTES的硅橡胶接触角为102.07°，而硅橡胶的接触角为90.38°，如图2所示。修饰了PFOTES的硅橡胶的接触角明显比硅橡胶的接触角大，增强了硅橡胶表面的疏水性，有利于抵抗蛋白质黏附，有望提高硅橡胶在体内的黏附性。
实施例2的结果如图4～5所示，硅橡胶表面检测到很强且大量的荧光亮点(如图4所示)，而十三氟辛基三乙氧基硅烷(PFOTES)修饰的硅橡胶几乎无荧光亮点(如图5所示)。表明了改性后的硅橡胶具有非常优异的抗蛋白质黏附性，有利于应用于人体植入医疗器械电极。
实施例3的结果如图6～7表示，硅橡胶表面有大量L929细胞黏附(如图6所示)，而PFOTES改性后的硅橡胶无L929细胞黏附(如图7所示)，表明了改性硅橡胶具有很好的抗细胞黏附性，在作用于人体组织时不容易被细胞黏附包裹从而失去功能，增强其在体内长时间使用。
实施例4的结果如图8表示，硅橡胶和十三氟辛基三乙氧基硅烷(PFOTES)修饰的硅橡胶增值率几乎都在百分之百以上，表明材料对L929细胞无明显抑制性，适用于人体植入设备。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.具有抗蛋白质非特异性吸附的氟修饰硅橡胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将硅橡胶浸入水中，在60～100℃温育12～24h，干燥，得到处理后的硅橡胶；
(2)按体积百分数计，将1～10％含氟硅烷、78～81％甲醇和12～18％乙酸水溶液混合均匀，加入步骤(1)处理后的硅橡胶，在真空度为10～101.325KPa、25～40℃下反应10～24h，洗涤，干燥，得到具有抗蛋白质非特异性吸附的氟修饰硅橡胶。
2.根据权利要求1所述具有抗蛋白质非特异性吸附的氟修饰硅橡胶的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述处理后的硅橡胶完全浸泡在体积百分数为1～10％含氟硅烷、78～81％甲醇和12～18％乙酸水溶液的混合液中。
3.根据权利要求1或2所述具有抗蛋白质非特异性吸附的氟修饰硅橡胶的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述含氟硅烷为十三氟辛基三乙氧基硅烷和十七氟癸基三甲氧基硅烷中的至少一种。
4.根据权利要求3所述具有抗蛋白质非特异性吸附的氟修饰硅橡胶的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述含氟硅烷的体积百分数为1～5％；所述乙酸水溶液的质量浓度为10～50％。
5.根据权利要求3所述具有抗蛋白质非特异性吸附的氟修饰硅橡胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述温育的温度为80℃，时间为24h。
6.根据权利要求3所述具有抗蛋白质非特异性吸附的氟修饰硅橡胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述硅橡胶在浸入水前，需经水超声清洗、干燥和臭氧处理；所述干燥为真空干燥，真空干燥的真空度为10～60KPa，温度为100～150℃，时间为24～48h；所述臭氧处理的条件为：在90～120W的UV光下处理10～40min；步骤(1)所述硅橡胶为硅橡胶片，其厚度为1～5mm，大小为10cm×10cm。
7.根据权利要求3所述具有抗蛋白质非特异性吸附的氟修饰硅橡胶的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述干燥为在氮气、真空度为10～50KPa、温度为10～35℃的条件下干燥24～48h；步骤(2)所述干燥的温度为90～125℃，干燥的时间为10～24h；步骤(2)所述洗涤指：将产物先后用甲苯、体积比为1：(1～5)的甲苯-乙醇混合溶液、无水乙醇反复冲洗直至上清液无残留物。
8.权利要求1～7任一项所述方法制得的具有抗蛋白质非特异性吸附的氟修饰硅橡胶。
9.权利要求8所述具有抗蛋白质非特异性吸附的氟修饰硅橡胶在医疗器械植入材料领域中的应用。
10.根据权利要求9所述具有抗蛋白质非特异性吸附的氟修饰硅橡胶在医疗器械植入材料领域中的应用，其特征在于，所述具有抗蛋白质非特异性吸附的氟修饰硅橡胶用于制备植入设备人工耳蜗电极和植入心脏起搏器。
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