CN115926507A - 具有离子可调的兼性离子涂层及其共沉积一步式制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种具有离子可调的兼性离子涂层及其共沉积一步式制备方法和应用。本申请结合聚多巴胺用于连接层，兼性离子单体、吸附剂形成聚合体用于功能层，通过共沉积一步式反应在各类基材表面完成涂层制备，通过合理控制体系中聚多巴胺与聚兼性离子及吸附剂的质量比，结合迈克尔加成反应，并优化反应过程中的工艺参数，使制备得到的具有离子可调的兼性离子涂层具有优异的综合性能，可同时满足亲水性好、抗粘附性能好、化学稳定性高、与基材表面粘附牢固、步骤简洁、具有离子可调性等性能要求；在应用中可使设备表面具备高亲水性和优秀的抗蛋白、细胞非特异性粘附效果，尤其适用于生物实验耗材表面；此具有离子可调的兼性离子涂层的制备方法工序简单，易于操作，便于工业应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有离子可调的兼性离子涂层及其共沉积一步式制备方法和应用，属于抗生物污染领域。
背景技术
在过去十几年中，相较于二维平面细胞培养，三维细胞培养以其更加贴合人体内细胞生长方式和优秀的细胞间交流而备受青睐。传统二维平面细胞培养导致某些药物在临床前实验的优秀数据与临床数据不相匹配，也由此制约药物进入市场的实验及审批过程，三维细胞培养在一定程度上缓解了这种严峻趋势的出现。
三维细胞培养耗材的首要需求是使目标细胞无法黏附到耗材的表面，但现有的细胞培养耗材采用的等离子体目的多为是细胞贴壁进行二维培养。一般使用的细胞培养耗材多是由聚苯乙烯(PS)构成，由于聚苯乙烯的疏水性，其本身是细胞黏附性较弱的材料，但仍会出现细胞黏附的情况。同时，其他细胞耗材使用的低密度聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)和聚丙烯(PP)等，也无法解决细胞黏附的问题。
其它出现的三维细胞培养技术如微流控技术、transwell小室及3D生物打印技术，大多是通过额外不同的仪器实现，同时也增加了操作的繁琐性。因此，通过对细胞培养耗材表面直接进行修饰，使其具备亲水性的同时具备抗黏附的能力将有效减少细胞黏附以获得三维培养细胞。
兼性离子聚合物(PZI)(甲基丙烯酸磺基甜菜碱(SBMA)、甲基丙烯酸羧基甜菜碱(CBMA)和2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酸胆碱(MPC))在同一种重复单元上同时具备带正电基团和带负电基团，具有亲水性的同时电荷保留净中性。兼性离子因此具有较强的水结合能力，带电基团可以结合水分子，形成水合层，使得水的置换在能量上不利，从而显著减少蛋白质和其他生物分子吸附量。基于独特特征，PZI被广泛应用于多种功能涂层，包括生物材料、生物传感器、防污材料、能源设备等。
甲基丙烯酸磺基甜菜碱(SBMA)和甲基丙烯酸羧基甜菜碱(CBMA)的聚合物表现出在体内减轻FBR的倾向，同时也在体外表现出对细胞、细菌的粘附抗性。因此，以兼性离子单体为基础制备涂层可有效减少细胞的黏附效果。
甲基丙烯酸-2-氨基乙基酯盐酸盐单体结构中带有正电荷点位，而聚丙酸酯单体结构中具备负电荷点位。可用于吸附带有不同电荷的离子(如甲基丙烯酸-2-氨基乙基酯盐酸盐可吸附碘离子I-、氯离子Cl-等负电离子，聚丙酸酯可吸附银离子Ag+、钙离子Ca2+等带正电离子)，进一步对涂层表面进行改性。
接枝到主链法(grafting to)和主链接枝法(grafting from)已经能够将PZI锚定在材料表面。接枝到主链法(grafting to)方法具有较为复杂的PZI合成/纯化过程、低密度锚定链以及需要对基材进行较为特殊的预处理，因此具有不可逾越的繁琐步骤和较长的等候时间。主链接枝法(grafting from)缺点在于繁琐的操作步骤同时对于不同的基材缺少通用型。
贻贝仿生化学可用于材料表面改性，也具备温和的反应条件、表面自适应粘附性等优秀特性。聚多巴胺PDA的邻苯二酚官能团可与基底材料表面形成牢固的共价键和非共价键，因此通过聚多巴胺(PDA)共沉积法可将PZI连接到基材表面。现行的方法中涂层与基材之间多以非共价键相连，导致涂层稳定差，且需要对兼性离子PZI进行多步合成和纯化，显著提高了涂层制备的繁琐性。
因此，有必要发明一种新的具有离子可调的兼性离子涂层的制备方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种亲水性好、抗粘附性能好、化学稳定性高、制备步骤简洁的具有离子可调的兼性离子涂层的共沉积一步式制备方法
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种具有离子可调的兼性离子涂层，其特征在于，所述涂层包括多巴胺、吸附剂、及兼性离子单体，所述兼性离子单体的结构通式为：
其中，R为具备N(CH3)3 +，以及SO3 -、COO-、PO4 -中任一项的基团。
进一步地，所述兼性离子单体为甲基丙烯酸磺基甜菜碱、甲基丙烯酸羧基甜菜碱和2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酸胆碱中的一种。
进一步地，所述吸附剂为甲基丙烯酸-2-氨基乙基酯盐酸盐或聚丙烯酸酯中的一种。
一种具有离子可调的兼性离子涂层的共沉积一步式制备方法，用于制备具有离子可调的兼性离子涂层，包括如下步骤：
S1、调节Tris缓冲液的pH为8.0～9.0，将质量比为1:20～1:30的多巴胺与所述兼性离子单体、及吸附剂溶解在Tris缓冲液中；
S2、将目标离子的固体制备成水溶液，向所述Tris缓冲液中缓慢滴加所述目标离子的水溶液并不断搅拌，得到反应溶液，调整所述反应溶液中所述目标离子的浓度至0.1～0.4mM，所述目标离子为可被所述吸附剂吸附的离子，包括银离子、铜离子、碘离子等；
S3、向所述反应溶液中加入氧化剂，得到混合液，所述氧化剂包括CuSO4/H2O2、K2S2O8和NaIO4，所述混合液中氧化剂质量浓度为：CuSO41～2.5mg/mL-H2O20.5～1.5mg/mL、K2S2O81～2mg/mL和NaIO41～2mg/mL。
S4、将基材在乙醇溶液中预湿润，然后浸入所述混合液中，在旋转摇床中室温沉积90min；
S5、使用超纯水冲洗沉积后的所述基材，然后通过氮气干燥所述基材。
进一步地，所述兼性离子单体为甲基丙烯酸羧基甜菜碱。
进一步地，所述Tris缓冲液中所述多巴胺的质量浓度为4mg/mL，所述Tris缓冲液中所述兼性离子单体的质量浓度为100mg/mL。
进一步地，所述吸附剂为聚丙烯酸酯，所述Tris缓冲液中聚丙烯酸酯的质量浓度为85mg/mL。
进一步地，所述目标离子为银离子，所述反应溶液中所述银离子的浓度为0.2mM。
进一步地，所述混合液中氧化剂质量浓度为：CuSO42.1mg/mL-H2O21.1mg/mL、K2S2O81.6mg/mL和NaIO41.6mg/mL。
一种具有离子可调的兼性离子涂层的应用，使用具有离子可调的兼性离子涂层应用在生物实验耗材表面。
本发明的有益效果在于：
本发明结合聚多巴胺用于连接层，兼性离子单体、吸附剂形成聚合体用于功能层，通过共沉积一步式反应在各类基材表面完成涂层制备，通过合理控制体系中聚多巴胺与聚兼性离子及吸附剂的质量比，结合迈克尔加成反应，并优化反应过程中的工艺参数，使制备得到的具有离子可调的兼性离子涂层具有优异的综合性能，可同时满足亲水性好、抗粘附性能好、化学稳定性高、与基材表面粘附牢固、步骤简洁、具有离子可调性等性能要求；在应用中可使设备表面具备高亲水性和优秀的抗蛋白、细胞非特异性粘附效果，尤其适用于生物实验耗材表面；此具有离子可调的兼性离子涂层的制备方法工序简单，易于操作，便于工业应用。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明得到的使用不同兼性离子单体的涂层的厚度图；
图2为本发明得到的使用不同兼性离子单体的涂层的水滴角图；
图3为本发明得到的使用不同兼性离子单体的涂层的水中油接触角图；
图4为本发明实施例1得到的涂层在不同条件下的洗脱率图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本申请所示的一种具有离子可调的兼性离子涂层，其特征在于，涂层包括多巴胺、吸附剂、及兼性离子单体，兼性离子单体的结构通式为：
其中，R为具备N(CH3)3 +，以及SO3 -、COO-、PO4 -中任一项的基团。兼性离子单体为甲基丙烯酸磺基甜菜碱(SBMA)、甲基丙烯酸羧基甜菜碱(CBMA)和2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酸胆碱(MPC)中的一种。
功能层选用兼性离子单体，包括SBMA、CBMA及MPC，该单体具有同时带有等效正电基团和负电基团的特性，离子—偶极相互作用对水分子结合力强，因此对于水分子的亲和力高。PZI带电离子基团通过离子——偶极相互作用吸引水分子，在表面形成致密、稳定的水合层，使水的置换在能量层面上不利，相较于聚乙二醇形成的水合层更强，从而减少蛋白质及其他物质的非特异性粘附，因而使得功能层具有优秀的抗粘附性能。
吸附剂可为甲基丙烯酸-2-氨基乙基酯盐酸盐(META)或聚丙烯酸酯中的一种。带正电荷的META单体或带有负电荷的聚丙烯酸酯单体可与聚多巴胺共沉积在基材表面，与兼性离子共同组成功能层，从而通过与离子间的电荷作用吸引所需带电离子，实现离子的可调控性。
一种具有离子可调的兼性离子涂层的共沉积一步式制备方法，用于制备具有离子可调的兼性离子涂层，包括如下步骤：
S1、调节Tris缓冲液的pH为8.0～9.0，将质量比为1:20～1:30的多巴胺与兼性离子单体、及吸附剂溶解在Tris缓冲液中。优选地，多巴胺的质量浓度为4mg/mL，兼性离子单体为甲基丙烯酸羧基甜菜碱(CBMA)，CBMA的质量浓度为100mg/mL，可有效提高产率，避免浪费反应物。
S2、将目标离子的固体制备成水溶液，向Tris缓冲液中缓慢滴加目标离子的水溶液并不断搅拌，得到反应溶液，调整反应溶液中目标离子的浓度至0.1～0.4mM，目标离子为可被吸附剂吸附的离子，包括银离子、铜离子、碘离子等。META单体结构中带有正电荷点位，而聚丙烯酸酯单体结构中具备负电荷点位。可用于吸附带有不同电荷的离子(如META可吸附碘离子I-、氯离子Cl-等负电离子，聚丙烯酸酯可吸附银离子Ag+、钙离子Ca2+等带正电离子)，进一步对涂层表面进行改性。优选地，目标离子为0.2mM的银离子，吸附剂为85mg/mL的聚丙烯酰胺，可对涂层改性，使其具有一定的抗菌作用。
S3、向反应溶液中加入氧化剂，得到混合液，氧化剂包括CuSO4/H2O2、K2S2O8和NaIO4，混合液中氧化剂质量浓度为：CuSO41～2.5mg/mL-H2O20.5～1.5mg/mL、K2S2O81～2mg/mL和NaIO41～2mg/mL。具体地，混合液中氧化剂质量浓度为：CuSO42.1mg/mL-H2O21.1mg/mL、K2S2O81.6mg/mL和NaIO41.6mg/mL。通过结合氧化剂与多巴胺两种物质联合作用，兼性离子单体聚合从低聚合态(平均分子量<4000)可转变为相对高聚合态(平均分子量>10000)，进而确保亲水抗粘附涂层的可塑性及与基材的高粘附力，使得该涂层能够维持较长时间，在不同环境下(酸、碱及有机溶剂环境下)维持化学稳定性。
S4、将基材在乙醇溶液中预湿润，然后浸入混合液中，在旋转摇床中室温沉积90min。请参见图1，通过共沉积方式沉积30min后，涂层厚度可达到38nm。
S5、使用超纯水冲洗沉积后的基材，然后通过氮气干燥基材。通过超纯水反复冲洗可除去氧化剂中的铜离子及残留物质，具备良好的生物安全性。微量的铜离子作为螯合位点加强了具有离子可调的兼性离子涂层的化学稳定性，综合性能优异。
请参见图2至图4，本发明所得的干燥后的基材表面的涂层的水滴角(WCA)均低于15°，具备高亲水性，涂层的水中油接触角(OCA-W)均高于160°，具备优秀的抗粘附能力。涂层在0.1MNaOH条件下浸泡2小时的洗脱量仅为40％，在其他条件下的洗脱率均不高于35％，具备较好的化学稳定性。
以下结合具体实施例进一步说明该制备方法。
实施例1，具有离子可调的兼性离子涂层的制备：
调节Tris缓冲液的pH为8.0～9.0，将多巴胺、SBMA、及聚丙烯酸酯溶解在Tris缓冲液中，使得Tris缓冲液中多巴胺的质量浓度为4mg/mL，兼性离子单体质量浓度为100mg/mL，聚丙烯酸酯的质量浓度为85mg/mL；向Tris缓冲液中缓慢滴加银离子的水溶液并不断搅拌，调整反应体系中银离子的浓度为0.2mM；加入氧化剂，得到混合液，混合液中氧化剂质量浓度为：CuSO42.1mg/mL-H2O21.1mg/mL、K2S2O81.6mg/mL和NaIO41.6mg/mL；将基材在乙醇溶液中预湿润，然后浸入混合液中，25℃浸泡90min；使用超纯水冲洗浸泡后的基材，然后通过氮气干燥基材。
一种具有离子可调的兼性离子涂层的应用，使用具有离子可调的兼性离子涂层应用在生物实验耗材表面，在应用中可使设备表面具备高亲水性和优秀的抗蛋白、细胞非特异性粘附效果。
综上，本发明结合聚多巴胺用于连接层，兼性离子单体、吸附剂形成聚合体用于功能层，通过共沉积一步式反应在各类基材表面完成涂层制备，通过合理控制体系中聚多巴胺与聚兼性离子及吸附剂的质量比，结合迈克尔加成反应，并优化反应过程中的工艺参数，使制备得到的具有离子可调的兼性离子涂层具有优异的综合性能，可同时满足亲水性好、抗粘附性能好、化学稳定性高、与基材表面粘附牢固、步骤简洁、具有离子可调性等性能要求；在应用中可使设备表面具备高亲水性和优秀的抗蛋白、细胞非特异性粘附效果，尤其适用于生物实验耗材表面；此具有离子可调的兼性离子涂层的制备方法工序简单，易于操作，便于工业应用。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种具有离子可调的兼性离子涂层，其特征在于，所述涂层包括多巴胺、吸附剂、及兼性离子单体，所述兼性离子单体的结构通式为：
其中，R为具备N(CH3)3 +，以及SO3 -、COO-、PO4 -中任一项的基团。
2.如权利要求1所述的具有离子可调的兼性离子涂层，其特征在于，所述兼性离子单体为甲基丙烯酸磺基甜菜碱、甲基丙烯酸羧基甜菜碱和2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酸胆碱中的一种。
3.如权利要求1所述的具有离子可调的兼性离子涂层，其特征在于，所述吸附剂为甲基丙烯酸-2-氨基乙基酯盐酸盐或聚丙烯酸酯中的一种。
4.一种具有离子可调的兼性离子涂层的共沉积一步式制备方法，用于制备如权利要求1～2任一项所述的具有离子可调的兼性离子涂层，其特征在于，包括如下步骤：
S1、调节Tris缓冲液的pH为8.0～9.0，将质量比为1:20～1:30的多巴胺与所述兼性离子单体、及吸附剂溶解在Tris缓冲液中；
S2、将目标离子的固体制备成水溶液，向所述Tris缓冲液中缓慢滴加所述目标离子的水溶液并不断搅拌，得到反应溶液，调整所述反应溶液中所述目标离子的浓度至0.1～0.4mM，所述目标离子为可被所述吸附剂吸附的离子，包括银离子、铜离子、碘离子等；
S3、向所述反应溶液中加入氧化剂，得到混合液，所述氧化剂包括CuSO4/H2O2、K2S2O8和NaIO4，所述混合液中氧化剂质量浓度为：
CuSO41～2.5mg/mL-H2O20.5～1.5mg/mL、K2S2O81～2mg/mL和NaIO41～2mg/mL；
S4、将基材在乙醇溶液中预湿润，然后浸入所述混合液中，在旋转摇床中室温沉积90min；
S5、使用超纯水冲洗沉积后的所述基材，然后通过氮气干燥所述基材。
5.如权利要求4所述的具有离子可调的兼性离子涂层的共沉积一步式制备方法，其特征在于，所述兼性离子单体为甲基丙烯酸羧基甜菜碱。
6.如权利要求4所述的具有离子可调的兼性离子涂层的共沉积一步式制备方法，其特征在于，所述Tris缓冲液中所述多巴胺的质量浓度为4mg/mL，所述Tris缓冲液中所述兼性离子单体的质量浓度为100mg/mL。
7.如权利要求4所述的具有离子可调的兼性离子涂层的共沉积一步式制备方法，其特征在于，所述吸附剂为聚丙烯酸酯，所述Tris缓冲液中聚丙烯酸酯的质量浓度为85mg/mL。
8.如权利要求7所述的具有离子可调的兼性离子涂层的共沉积一步式制备方法，其特征在于，所述目标离子为银离子，所述反应溶液中所述银离子的浓度为0.2mM。
9.如权利要求4所述的具有离子可调的兼性离子涂层的共沉积一步式制备方法，其特征在于，所述混合液中氧化剂质量浓度为：CuSO42.1mg/mL-H2O21.1mg/mL、K2S2O81.6mg/mL和NaIO41.6mg/mL。
10.一种具有离子可调的兼性离子涂层的应用，其特征在于，使用如权利要求1～3任一项所述的具有离子可调的兼性离子涂层应用在生物实验耗材表面。
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