CN112442207B - 一种对聚二甲基硅氧烷材料进行改性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对聚二甲基硅氧烷材料进行改性的方法，其方法是首先将含有羧基的糖类通过高碘酸钠的选择性氧化制备得到含有活性醛基的氧化糖类，然后利用氨基与羧基的反应将多巴胺通过酰胺化反应接枝到氧化糖类上，得到含有邻苯二酚结构与活性醛基的糖类，随后对聚二甲基硅氧烷材料进行预处理，使其表面暴露含氧基团，然后，采用含邻苯二酚结构的氧化多糖作为桥梁，将生物活性的胶原连接到聚二甲基硅氧烷材料表面，对聚二甲基硅氧烷材料进行表面功能化改性，得到具有良好、非暂时性的亲水性，且生物相容性优良的聚二甲基硅氧烷材料，为新一代生物相容性的、亲水的聚二甲基硅氧烷材料的制备开辟出了新途径。该方法可用于生物医用材料的制备中。

Description

一种对聚二甲基硅氧烷材料进行改性的方法

技术领域

本发明涉及一种对聚二甲基硅氧烷材料进行改性的方法，属于生物医用材料领域。

背景技术

有机硅弹性体是目前最广泛使用的生物医用材料之一。国内外大量的临床使用及动物实验观察表明有机硅弹性体具有良好的理化稳定性和组织相容性。聚二甲基硅氧烷（poly(dimethylsiloxane)，PDMS）作为有机硅弹性体中的重要一员，具有透明度高、透气性好、生理惰性和生物相容性好等一系列优良的特性，被广泛应用于整形美容、人造器官、医疗器械、药物缓释等生物医疗领域，并且PDMS易于制造、成本低、实用的可扩展性强。PDMS主链由-Si-O-交替组成，侧链由硅原子上连有的两个有机基团组成的具有高相对分子量的橡胶态弹性体。研究表明，其分子结构是非极性取代基在外侧高度卷曲的螺旋形结构，Si-O-Si的键角可以在130°~160°范围内变化，分子间距较大、分子间作用力较小，使得硅橡胶表面能低、疏水性强、玻璃转化温度低。当用作生物医用材料时，PDMS表面极强的疏水性导致硅橡胶材料表面容易吸附蛋白质、细菌及其它生物分子，从而限制了其使用。例如，使其与血液相接触时，会不可逆地吸附大量的血浆蛋白，并引发凝血等不良反应。为此对PDMS进行改性，提高其表面生物相容性，拓宽其应用领域是十分必要的。

然而由于有机硅弹性体表面没有可用于化学改性的活性官能团, 这给材料表面的改性增加了难度。

用于提高PDMS表面性能的物质很多，但近年来，人们对生物医用材料在理化性能和生物安全性、可靠性方面有越来越高的要求，期望生物医用材料表面具有某些特殊的生物功能。因而，在PDMS表面固定生物活性分子是一种有效的解决方法。常见用于改善生物相容性与亲水性的物质包括胶原、天然糖类等生物大分子。胶原是细胞外基质的主要组成部分，是动物体内含量最多、分布最广的蛋白质，富含于动物的皮、骨骼、肌腱、内脏细胞间质、韧带、血管、巩膜等部位之中。胶原具有低的免疫原性、低刺激性、低细胞毒性、良好的生物相容性、良好的促进细胞生长的性能以及生物可降解性等诸多优点，在生物医学领域的应用日益广泛。糖类是自然界中一类非常重要的生物质材料，含量丰富，是一类可再生资源，来源丰富，可以生物降解，用作生物医学材料时具有优良的生物相容性，可促进细胞的粘附和增殖，很少产生免疫反应，并且有些多糖还具有一定的抗菌、保湿等功能。但遗憾的是，这些生物大分子中缺乏足够化学活性的基团，在温和条件下不能直接与PDMS发生反应，而对其进行修饰。

多巴胺（Dopamine, DA）是3,4-二羟基苯乙胺的简称，是贻贝粘蛋白中含量丰富的酪氨酸的一种衍生物，结构中含有儿茶酚官能团，赋予其独特的性能。其结构中的邻苯二酚基团具有化学多功能性，容易与极性、亲水的材料表面形成氢键，产生吸附，并且具有很强的金属配位螯合能力，与金属离子形成非常稳定的螯合物，产生粘合，被氧化后，不仅能与很多基团发生共价交联，而且自身也能发生歧化反应产生偶联。具体而言，在碱性和有氧存在下，邻苯二酚基团很容易被氧化为醌或半醌式结构，此时，不仅能与氨基、亚氨基、巯基等基团发生Michael加成和Schiff碱反应，而且能分子内环化形成脱氢吲哚结构，以及进行歧化反应形成自由基进而偶联为单宁类化合物，形成聚合交联。此外，多巴胺中的氨基也可作为反应活性位点与其它物质发生反应。可见，多巴胺具有较强的反应活性，能够发生多种反应，如果将其作为桥梁，可能对PDMS的表面改性提供新的思路。

目前，通过一些技术处理如等离子体处理、紫外臭氧处理、氧化等，均可使PDMS表面形成大量含氧基团（如羟基），可短暂提高PDMS的亲水性。因此，可利用这些含氧基团对其进行进一步修饰来稳固其亲水性并同时提高生物相容性。首先，将糖类（多糖或寡糖）通过高碘酸钠的选择性氧化得到含醛的氧化糖类。然后，利用多巴胺上氨基的反应活性与含醛氧化糖类上羧基的反应活性，将多巴胺通过酰胺化反应引入到含羧基的氧化糖（含醛基糖）上，从而制得含有邻苯二酚结构的氧化糖，该产物既具有多巴胺中邻苯二酚的反应活性，又具有糖中醛基的反应活性。随后，利用邻苯二酚的反应特性，可将其通过化学作用（共价及较强的氢键作用）接枝到含氧PDMS表面。最后，利用醛基的反应活性，可通过席夫碱反应进一步向该表面共价接枝胶原等天然大分子，从而使PDMS表面保持良好的、稳固的、非暂时性的亲水性与生物相容性。

发明内容

1. 一种对聚二甲基硅氧烷材料进行改性的方法，其特征是：

（1）含羧基的氧化糖的制备：称取1重量份的含羧基糖，加入5重量份的无水乙醇，磁力或机械搅拌，使含羧基糖均匀分散于乙醇中，然后称取一定质量的高碘酸钠避光溶于5重量份的蒸馏水中，随后加入到糖-乙醇分散液中，避光下磁力或机械搅拌反应3~36h，然后加入与高碘酸钠等摩尔的乙二醇终止反应2 h，反应结束后取出反应液，装入截留分子量为300~5000Da的透析袋中，用蒸馏水透析3天，每天换蒸馏水4~5次，随后用冷冻干燥机冻干，保存备用；

（2）含有邻苯二酚结构的氧化糖的制备：称取1重量份的含羧基的氧化糖溶于浓度为40 ~60mmol/L、pH为5.5~6.5的2-吗啉乙磺酸（MES）缓冲溶液中；在氮气保护条件下，加入一定质量的N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺（EDC）使EDC浓度为1~10mg/ml，活化反应0.5 ~1.0h，然后加入0.2~5.0重量份的多巴胺，并用稀盐酸调节反应体系pH值至5.0~6.0，20℃~30℃下搅拌反应16~30h；反应结束后，将产物装入截留分子量为300~5000Da的透析袋中，用蒸馏水透析4~6d，每天换蒸馏水4~5次，冷冻干燥备用；

（3）PDMS预处理：将PDMS通过等离子体改性、或紫外臭氧处理，或经强氧化性溶液处理后，得到预处理的表面具有含氧基团的PDMS材料；

（4）PDMS改性：称取含有邻苯二酚结构的氧化糖，配成1~50mg的溶液，将表面具有含氧基团的PDMS材料置于含有邻苯二酚结构的氧化糖溶液，常温下缓慢震荡或静置反应0.5~36h；经过大量蒸馏水冲洗后，置于0.5~10mg/ml的胶原溶液中，4℃下缓慢震荡或静置反应0.5~36h，经蒸馏水冲洗后即得改性PDMS材料。

其中所述的含羧基糖是指分子结构中含有自由羧基的多糖、寡糖、多糖衍生物及寡糖衍生物。

其中所述的等离子体改性是指行业内通用的以氧气、氮气、氢气或二氧化碳作为原料气，对PDMS材料进行表面等离子体氧化处理。

其中所述的紫外臭氧处理是指行业内通用的采用185 nm 或者 254 nm的紫外光对PDMS材料表面进行辐照处理。

其中所述的经强氧化性溶液处理是指行业内通用的将PDMS浸入硫酸-双氧水溶液或盐酸-双氧水溶液中浸渍进行处理。

其中所述的胶原是指胶原多肽、胶原分子、胶原纤维、胶原聚集体。

其特征在于该方法制备的改性聚二甲基硅氧烷可用于生物医学领域。

本发明具有以下的优点：

（1）利用邻苯二酚的多样化学反应性，可通过化学键将含邻苯二酚的氧化多糖稳固地接枝到PDMS材料表面，形成的产物稳定性高；

（2）改性后的PDMS材料具有良好的、持久的亲水性，且根据不同反应条件的选择，可在一定范围内调控亲水性的强弱，从而大大拓宽PDMS材料的应用范围；

（2）改性所用的原料，如多巴胺、氧化多糖、胶原，均为生物活性分子，不仅细胞毒性低，具有良好的生物相容性，还能促进细胞生长增殖。因此，改性后的PDMS其生物相容性好；

（3）整个改性过程的条件和反应都比较温和，无苛刻要求，易于实现，且对环境友好，对操作人员友好；

（4）改性所用的含自由羧基的糖类物质，给改性产物的其它功能提供了更多的可能性，已经知道，天然糖类来源丰富，功能性较多，如选择羧甲基壳聚糖，则能够赋予水凝胶一定的抗菌功能特性；如选择透明质酸，则能够赋予水凝胶更加的亲水、吸湿性能；

（5）本方法采用含邻苯二酚结构的氧化多糖作为桥梁，通过简单易行、温和的反应，将生物活性的胶原连接到PDMS材料表面，使得PDMS材料表面具有明显提高的、非暂时性的亲水性，同时还大大地提高了PDMS材料的生物相容性，是一种新型的、可行性强、具有广泛应用潜力的对PDMS表面进行功能化改性的方法。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，而不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例1

（1）氧化海藻酸钠的制备：称取10 Kg的海藻酸钠，加入装有100 L的无水乙醇的带搅拌装置的反应釜中，开启搅拌，使海藻酸钠均匀分散于乙醇中，然后称取8Kg高碘酸钠避光溶于100 L蒸馏水中，随后加入到海藻酸钠乙醇分散液中，避光下搅拌反应6 h，然后加入与高碘酸钠等摩尔的乙二醇终止反应2 h。反应结束后将反应液导入截留分子量为3500Da的透析袋中，用蒸馏水透析3天，每天换蒸馏水5次。随后用冷冻干燥机冻干，保存备用；

（2）含邻苯二酚的氧化海藻酸钠的制备：称取2.0 Kg的氧化海藻酸钠溶于MES缓冲溶液（50 mmol/L，pH=6.0）100L中，向反应釜中加入1Kg NHS和1.5Kg EDC，活化反应0.5 h，然后加入2.5Kg 多巴胺，并用盐酸调节反应体系pH值至5.5左右，控温至25℃，搅拌反应24h，整个过程中都向反应釜中通入氮气保护。反应结束后，将产物装入截留分子量为3500Da的透析袋中，用蒸馏水透析5 d，每天换蒸馏水4~5次，冻干备用；

（3）PDMS预处理：在长宽1.2m的反应池中加入硫酸-双氧水溶液（硫酸:双氧水=7:3）至高度为0.2米，将长宽为1m 的PDMS 膜材料在反应池中浸渍10min，取出后用大量蒸馏水清洗，

（4）PDMS改性：在同样大小的反应池中，将预处理后的PDMS膜置于10 mmol/L、pH=8.5的Tris-HCl缓冲液中浸泡5h，然后用蒸馏水冲洗数次。与此同时，将含邻苯二酚的氧化海藻酸钠溶于10 mmol/L、pH=8.5的Tris-HCl缓冲液中，配成浓度为2 g/L的溶液。将洗涤后的PDMS膜浸入上述溶液中，常温下反应24 h后取出，用蒸馏水冲洗干净，再将其置于5g/L的胶原纤维溶液中，在4℃下反应缓慢震荡反应24h，用蒸馏水冲洗干净，最后经N₂干燥后保存。

实施例2

（1）氧化羧甲基壳聚糖的：称取500g的羧甲基壳聚糖，加入装有2.5L的无水乙醇的反应釜中，开启搅拌，使其均匀分散于乙醇中，然后称取一定质量的高碘酸钠避光溶于2.5L蒸馏水中，随后加入到羧甲基壳聚糖乙醇分散液中，避光下磁力搅拌反应10 h，然后加入与高碘酸钠等摩尔的乙二醇终止反应2 h。反应结束后取出反应液，装入截留分子量为5000Da的透析袋中，用蒸馏水透析3天，每天换蒸馏水5次。随后用冷冻干燥机冻干，保存备用；

（2）含有邻苯二酚结构的氧化羧甲基壳聚糖的制备：在反应釜中，加入500g氧化羧甲基壳聚糖，30L pH值5.5的MES缓冲液，溶解后加入一定质量的EDC与NHS，0.5h后，加入1000g盐酸多巴胺，用稀盐酸调节pH值为5，25℃下搅拌反应24h，整个反应过程在氮气保护下进行，反应结束后采用截留分子量为5000Da的透析袋透析5d，每天换水5次，冻干备用；

（2）PDMS预处理：将面积为1m ×1m 的PDMS膜暴露在185nm的紫外光下处理2h；

（3）PDMS改性：将含邻苯二酚结构的羧甲基壳聚糖配成10mg/mL的溶液，并将预处理后的PDMS按需制备成所需大小后膜浸渍于该溶液中，反应24h，经大量蒸馏水清洗后，浸渍于7mg/mL的胶原分子溶液中，反应24h，蒸馏水清洗后干燥。

实施例3

（1）氧化透明质酸的制备：分别将20g透明质酸与4g高碘酸钠分散溶解于乙醇、蒸馏水中，再将两者混合，避光下在摇架中反应20h，在乙二醇的作用下终止反应2h，采用3500Da的透析袋用蒸馏水对反应物进行透析，每天换液5次，透析5天；

（2）含有邻苯二酚结构的氧化透明质酸的制备：称取20g氧化透明质酸溶解于50mmol/L，pH6的MES缓冲液中，在氮气的保护下，与一定量的EDC、NHS反应1h后，加入40g多巴胺，待pH调节至5.5后，在25℃下，在摇架中反应24h，反应结束后使用3500Da的透析袋在蒸馏水中透析5d，每天换液5次；

（3）PDMS预处理：采用等离子体反应器用于PDMS膜表面的等离子体处理。将薄膜放在表面皿中，并送入等离子体反应器。反应气体为O2。等离子体室内部的压力保持在300Pa，功率为18W，时间控制4min。经O2处理5min后得到样品；

（4）PDMS改性：将含邻苯二酚的氧化透明质酸10g溶于1L蒸馏水中，将PDMS膜置于反应液中在摇架上缓慢震荡反应12h，取出后经蒸馏水冲洗后置于5mg/mL的胶原聚集体溶液中继续反应12h，经蒸馏水冲洗后冷冻干燥。

Claims (7)

1.一种对聚二甲基硅氧烷材料进行改性的方法，其特征是：

（1）含羧基的氧化糖的制备：称取1重量份的含羧基糖，加入5重量份的无水乙醇，磁力或机械搅拌，使含羧基糖均匀分散于乙醇中，然后称取一定质量的高碘酸钠避光溶于5重量份的蒸馏水中，随后加入到糖-乙醇分散液中，避光下磁力或机械搅拌反应3~36h，然后加入与高碘酸钠等摩尔的乙二醇终止反应2 h，反应结束后取出反应液，装入截留分子量为300~5000Da的透析袋中，用蒸馏水透析3天，每天换蒸馏水4~5次，随后用冷冻干燥机冻干，保存备用；

（2）含有邻苯二酚结构的氧化糖的制备：称取1重量份的含羧基的氧化糖溶于浓度为40~60mmol/L、pH为5.5~6.5的2-吗啉乙磺酸（MES）缓冲溶液中；在氮气保护条件下，加入一定质量的N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺（EDC）使EDC浓度为1~10mg/ml，活化反应0.5 ~1.0h，然后加入0.2~5.0重量份的多巴胺，并用稀盐酸调节反应体系pH值至5.0~6.0，20℃~30℃下搅拌反应16~30h；反应结束后，将产物装入截留分子量为300~5000Da的透析袋中，用蒸馏水透析4~6d，每天换蒸馏水4~5次，冷冻干燥备用；

（3）PDMS预处理：将PDMS通过等离子体改性、紫外臭氧处理或经强氧化性溶液处理后，得到预处理的表面具有含氧基团的PDMS材料；

（4）PDMS改性：称取含有邻苯二酚结构的氧化糖，配成1~50mg的溶液，将表面具有含氧基团的PDMS材料置于含有邻苯二酚结构的氧化糖溶液，常温下缓慢震荡或静置反应0.5~36h；经过大量蒸馏水冲洗后，置于0.5~10mg/ml的胶原溶液中，4℃下缓慢震荡或静置反应0.5~36h，经蒸馏水冲洗后即得改性PDMS材料。

2.根据权利要求1所述的一种对聚二甲基硅氧烷材料进行改性的方法，其中所述的含羧基糖是指分子结构中含有自由羧基的多糖、寡糖、多糖衍生物及寡糖衍生物。

3.根据权利要求1所述的一种对聚二甲基硅氧烷材料进行改性的方法，其中所述的等离子体改性是指行业内通用的以氧气、氮气、氢气或二氧化碳作为原料气，对PDMS材料进行表面等离子体氧化处理的方法。

4.根据权利要求1所述的一种对聚二甲基硅氧烷材料进行改性的方法，其中所述的紫外臭氧处理是指行业内通用的采用185 nm 或者 254 nm的紫外光对PDMS材料表面进行辐照处理的方法。

5.根据权利要求1所述的一种对聚二甲基硅氧烷材料进行改性的方法，其中所述的经强氧化性溶液处理是指行业内通用的将PDMS浸入硫酸-双氧水溶液或盐酸-双氧水溶液中浸渍进行处理的方法。

6.根据权利要求1所述的一种对聚二甲基硅氧烷材料进行改性的方法，其中所述的胶原是指胶原多肽、胶原分子、胶原纤维、胶原聚集体。

7.根据权利要求1所述的一种对聚二甲基硅氧烷材料进行改性的方法，其特征在于该方法制备的改性聚二甲基硅氧烷可用于生物医学领域。