胺解改性含酯基聚合物生物材料及其細(xì)胞相容性研究.pdf

1、本文的目的在于研究與開發(fā)新型實(shí)用的聚合物生物材料表面改性技術(shù)，以構(gòu)建細(xì)胞相容的生物材料表面和界面。本文首先在仔細(xì)分析和了解含酯基聚合物材料分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，首次將經(jīng)典的-NH2與-COO-的反應(yīng)運(yùn)用到表面改性生物可降解的含酯基的聚合物材料，運(yùn)用二元胺對聚乳酸(PLLA)、聚己內(nèi)酯(PCL)和聚氨酯(PU)等含酯基聚合物進(jìn)行胺解改性，并研究了改性前后材料表面的物理和化學(xué)性能的變化。采用反應(yīng)性熒光探針－異硫氰酸酯羅丹明和胺基指示劑－茚三酮對

2、引入到材料表面的胺基密度進(jìn)行了定性分析和定量計(jì)算。對于1，6-己二胺胺解PCL平面膜的體系，胺基主要存在于PCL膜表面(～30μm)，且胺基密度最大可達(dá)～2x10-7mol/cm2。表面胺基密度可通過調(diào)節(jié)胺解反應(yīng)條件予以控制。胺基的引入在一定程度上提高了材料表面的內(nèi)皮細(xì)胞相容性，但胺基密度的大小對材料表面內(nèi)皮細(xì)胞相容性的提高程度沒有直接的關(guān)系。由于材料表面所含的胺基不足以完全覆蓋基材，因此胺解改性后的生物材料其表面細(xì)胞相容性受基材的本體

3、性能所影響，在所研究的三種含酯基聚合物材料(PLLA、PCL及PU)中，以胺解PLLA的內(nèi)皮細(xì)胞相容性為最佳。 自由胺基的引入不僅改善了材料表面的細(xì)胞相容性，更為重要的是提供了讓基材進(jìn)一步反應(yīng)的活性位點(diǎn)，本文利用戊二醛在胺解的聚乳酸、聚己內(nèi)酯和聚氨酯表面進(jìn)一步固定了生物分子－－明膠、殼聚糖和膠原，動態(tài)接觸角(包括前進(jìn)角和后退角)和靜態(tài)接觸角(包括Sessiledrop和Captivebubble法)測試證明在材料表面固定生物大分

4、子后，其親水性得到明顯改善；細(xì)胞培養(yǎng)及內(nèi)皮功能測試結(jié)果證明這些生物分子在固定到上述材料表面后仍然保持其原有的生物活性，可明顯促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的生長和分化，而與基材的本體性能無關(guān)。 本文利用胺解反應(yīng)在材料表面引入的自由胺基，首次將靜電吸引層層自組裝(Layer-by-layer)的技術(shù)引入到生物可降解材料的表面改性中。為了研究這一技術(shù)的可行性，文中以胺解的PLLA為例，首先采用較簡單的帶負(fù)電聚電解質(zhì)聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)和具生物相容

5、性的殼聚糖對PLLA進(jìn)行自組裝改性，并利用反應(yīng)性熒光探針標(biāo)記、紫外－可見吸收光譜、熒光能量轉(zhuǎn)移及表面動態(tài)接觸角測試等技術(shù)對自組裝過程進(jìn)行跟蹤和檢測。組裝層的厚度開始隨組裝層數(shù)的增加而線性增加，而后增加變緩；掃描力顯微鏡(SFM)觀察組裝層表面形貌，發(fā)現(xiàn)組裝層數(shù)少時(shí)組裝層不能完全覆蓋基底。體外細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)證明表面組裝3雙層PSS和殼聚糖(以殼聚糖為外層分子)以后，材料表面的內(nèi)皮細(xì)胞相容性得到明顯改善。 為了避免基底或內(nèi)層分子的影響

6、，在上述可行性研究的基礎(chǔ)上，以生物相容性分子硫酸軟骨素(CS)和膠原(Ⅰ型)替代上述分子作為對胺解PLLA進(jìn)行自組裝改性的陰陽聚電解質(zhì)。紫外－可見吸收光譜和熒光能量轉(zhuǎn)移跟蹤其組裝層生長規(guī)律與PSS和殼聚糖體系一致；細(xì)胞培養(yǎng)結(jié)果證明，在胺解PLLA表面只要組裝一雙層CS和膠原就足以改善材料的細(xì)胞相容性。鑒于靜電吸引層層自組裝技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，這一技術(shù)在生物材料表面改性中的運(yùn)用，將為開發(fā)聚合物材料在組織工程領(lǐng)域中的應(yīng)用開辟廣闊的前景。

7、 本文同時(shí)也研究了在紫外光引發(fā)下，將親水性單體甲基丙烯酸(MAA)在氧化PCL表面進(jìn)行接枝聚合反應(yīng)。采用羅丹明6G法對表面羧基密度(反映PMAA的接枝量)作了定量測定，運(yùn)用接觸角和吸水率的測試對PCL表面經(jīng)PMAA接枝后的親水性能作了表征。實(shí)驗(yàn)證明表面接枝物量的多少可以通過調(diào)節(jié)反應(yīng)條件如反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、反應(yīng)液濃度等因素得到控制，從而有效控制材料表面的親水性。體外內(nèi)皮細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明，PCL的細(xì)胞相容性與材料表面的親水性(或羧基密度)

8、密切相關(guān)，只有具有適度親水性的表面才有利于內(nèi)皮細(xì)胞的粘附和鋪展，并促進(jìn)細(xì)胞進(jìn)一步生長和分化。對于PCL接枝PMAA的內(nèi)皮細(xì)胞相容性體系，材料表面羧基密度以3～6×10-7mol/cm2為佳。 利用水溶性碳化二亞胺在含羧基的PCL表面進(jìn)一步固定生物分子明膠。由于明膠是細(xì)胞外基質(zhì)主要成分膠原的降解產(chǎn)物，它的引入對材料表面的細(xì)胞相容性的改善起到了積極的作用。細(xì)胞的粘附率和增殖率比對應(yīng)PMAA接枝的表面都有了穩(wěn)定的增加，細(xì)胞體現(xiàn)了貼壁生

9、長的多角形內(nèi)皮細(xì)胞形態(tài)。 在詳細(xì)研究上述改性技術(shù)在不同聚合物基材上的實(shí)施情況同時(shí)，本文以PLLA平面膜為基材，采用上面所述幾種方法進(jìn)行改性，并對改性后材料的細(xì)胞粘附率、增殖率、活性、細(xì)胞形態(tài)以及內(nèi)皮功能－－血管性血友病因子(vWF)和前列環(huán)素穩(wěn)定形式6-酮前列腺素F1α等細(xì)胞相容性數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)從提高材料的內(nèi)皮細(xì)胞相容性和功能的角度，上述幾種改性方法之間沒有根本的區(qū)別。相對而言，表面存在生物大分子的PLLA其內(nèi)皮細(xì)胞生長和

10、增殖以及分泌內(nèi)皮功能因子等數(shù)據(jù)要比其它不含生物分子的改性表面好。 由于組織工程的最終要求是將細(xì)胞接種在多孔支架中進(jìn)行立體培養(yǎng)，以制備具有某種特定功能和特定形狀的人工組織和器官。本文在以平面膜為模型對前述改性技術(shù)詳細(xì)研究的基礎(chǔ)上，將具有操作簡單、重復(fù)性好、表面修飾分子層可控、引入的生物分子能維持其原有生物活性等優(yōu)點(diǎn)的“胺解并固定生物大分子”和“在胺解基礎(chǔ)上靜電吸引層層自組裝”等技術(shù)，用于三維支架的表面改性，分別對管狀PU內(nèi)腔和PL