肝素对聚乙烯醇表面的抗污修饰及其性能研究
Study on Anti-fouling Modification of Polyvinyl Alcohol Surface by Heparin and Its Properties

生物医用材料是生产或加工用于医疗设备和人体修复的材料,包括合成的聚合物、金属、陶瓷、无机物和天然的大分子(生物高分子)等.这些材料主要与细胞、蛋白质、组织、器官和器官系统等互相接触.人工角膜和人造血管等生物医用材料植入人体后会有蛋白质和细胞等粘附在材料表面,这会降低材料的术后使用寿命,所以提高材料的抗生物粘附性能有重要的意义.聚乙烯醇水凝胶(PVA hydrogel)具有良好的生物相容性、力学性能、亲水性能和光学性能等,是广泛应用的生物医用材料.在课题组的前期研究中发现,PVA水凝胶在作为植入性角膜中心材料时,会产生细胞粘附生长现象,这将影响材料的光学性能,增加植入的失败率.在本研究中,我们将以PVA水凝胶作为修饰基体,以肝素钠对其进行化学改性,提高其抗粘附能力,增强其应用性能.本文采用三种不同的方法将肝素钠化学接枝到PVA表面,并且对修饰改性后的材料进行理化性能测试和生物实验测试.主要的研究内容和结果如下:1.通过硅烷偶联剂kh550在乙醇/水的体系中水解缩合后的羟基与PVA表面的羟基反应引入活化基团氨基,再通过肝素钠(Hep)分子上的羧基与PVA-kh550表面的活化基团氨基进行酰胺化反应,将肝素钠化学接枝到PVA表面.采用在线测试电导率法探讨了kh550的水解最佳条件以及不同浓度的肝素钠对PVA水凝胶的可见光透过率和亲水性的影响并确定最佳的肝素钠修饰浓度.并且采用表面红外(ATR-FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)对材料表面进行表征.对改性前后的材料进行热稳定性、可见光透过率、亲水性、力学性能、含水率、溶胀性能等进行表征,采用甲苯胺蓝法测定肝素钠的接枝固定量,采用BCA法测定样品的抗蛋白粘附能力,并采用cck-8法探究材料的细胞毒性和抗细胞粘附性能.结果表明,经肝素钠修饰后的PVA水凝胶(PVA-kh550-Hep)材料的可见光的透过率与空白PVA一致;含水率为75%左右,材料接触角由38°降到30°,溶胀比为3.5左右,拉伸强度为2.5 MPa左右,材料表面肝素钠接枝固定量为0.6007μg/cm~2.蛋白粘附能力降低42.37%,材料的细胞毒性分级为0级,提高了材料的抗细胞粘附性能.2.通过琥珀酸酐与PVA表面的羟基发生酰化反应引入活化基团羧基,再通过肝素钠上的羟基与PVA-COOH表面的活化基团羧基发生酯化反应,将肝素钠化学接枝到PVA表面.探讨了琥珀酸酐与PVA表面羟基酰化反应的最佳条件为反应温度为40℃,反应时间为3 h.并在此条件下,通过可见光透过率和亲水性确定肝素钠的最佳修饰浓度为0.6 mg/mL.在此肝素钠修饰浓度下,采用ATR-FTIR和XPS对PVA-COOH-Hep材料表面进行表征.同时,探讨了修饰前后的材料的热稳定性、力学性能、可见光透过率、含水率、溶胀平衡及肝素固定量等性能的变化.结果表明,肝素钠修饰后的PVA-COOH-Hep水凝胶的拉伸强度为1.75 MPa、可见光透过率为85%左右、含水率达到75%、溶胀平衡时的溶胀比为3.5左右,肝素钠表面接枝固定量为1.7141μg/cm~2.材料蛋白粘附能力降低64.66%,抗细胞粘附能力也显著提高,材料的细胞毒性分级为0级.3.通过2-溴异丁酰溴(BIBB)与PVA表面的羟基发生酰化反应引入活化基团溴,再通过肝素钠分子上的仲氨基与PVA-Br表面的活化基团溴发生烷基化反应,将肝素钠化学接枝到PVA水凝胶的表面.通过表面元素含量、亲水性和红外光谱确定BIBB与PVA水凝胶表面羟基发生酰化反应的最佳条件为:BIBB浓度为0.067 m L/mL,反应时间为12 h.在此条件下固定肝素钠的浓度为0.01 mg/mL,将肝素钠化学接枝到PVA水凝胶表面.分别对修饰改性后的水凝胶材料的含水率、溶胀比、亲水性、可见光透过率、力学性能、热稳定性和肝素钠固定量等性能进行表征.结果表明,修饰改性后的PVA-Br-Hep水凝胶材料的含水率为70%,溶胀平衡时的溶胀比为3.5左右,接触角58°,可见光透过率90%以上,拉伸强度2.0 MPa左右,材料表面的肝素钠固定量为0.8506μm/cm~2.PVA-Br-Hep的蛋白粘附能力降低33.89%,抗细胞粘附能力显著提高,并且细胞毒性为0级.通过三种不同方式活化PVA水凝胶膜表面,将肝素钠接枝到PVA水凝胶膜表面,材料都具有良好的生物相容性和抗细胞粘附能力.由于接枝到PVA水凝胶膜表面的kh550部分会水解进入溶液中,会间接降低肝素钠在PVA水凝胶膜表面的接枝率;通过BIBB与PVA水凝胶膜表面羟基发生酰化反应,由于实验中反应后的水凝胶的颜色较难控制,实验重现性较差;而通过琥珀酸酐与PVA水凝胶膜表面的羟基发生酰化反应,实验重现性良好,且肝素钠接枝率最高,材料抗生物污染能力最强.