絲素蛋白對(duì)PP和PET的表面改性及改性后材料表面礦化研究.pdf

1、作為物理化學(xué)性能優(yōu)異、原料來(lái)源豐富且價(jià)格低廉的塑料，聚丙烯(Polypropylene，PP)和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(Poly(ethylene terephthalate)，PET)已在汽車(chē)、家電、日用品及家具、包裝等國(guó)民經(jīng)濟(jì)和日常生活中各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但與大多數(shù)聚合物材料一樣，PP和PET存在著大量的表面和界面問(wèn)題，如表面硬度低、阻隔性差、難印刷、難粘接，特別是生物相容性差，這大大限制了其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，生物材料的

2、研究捷徑之一是對(duì)已有的物理機(jī)械性能俱佳的合成高分子材料進(jìn)行表面改性，因此，若能對(duì)PP、PET的惰性表面進(jìn)行生物相容性改進(jìn)，我們將有望開(kāi)發(fā)出以此為基體的生物材料，極大地拓展其應(yīng)用空間。
　　蠶絲素蛋白(Silk Fibroin，SF)作為一種來(lái)源廣，價(jià)格低的生物大分子，由于具備優(yōu)異的生物相容性、可生物降解性、透氣透氧性以及較低的炎癥反應(yīng)而被廣泛用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域，其在酶固定化電極、藥物緩釋載體和組織工程支架等的研究中表現(xiàn)出了優(yōu)異的非免

3、疫原性和生物相容性，能夠很好地促進(jìn)細(xì)胞的粘附、生長(zhǎng)和分化。與此同時(shí)，作為脊椎動(dòng)物骨骼的主要組成部分，磷酸鈣(CalciumPhosphate，CP)，特別是其代表羥基磷灰石(Hydroxyapatite，HAP)由于良好的生物相容性和誘導(dǎo)成骨能力被廣泛應(yīng)用于組織工程支架研究。這其中，利用交替礦化法、模擬體液礦化法和共沉淀等方法，大量的絲素蛋白/羥基磷灰石支架材料已被相繼報(bào)道。
　　基于此，本文希望從絲素蛋白固定和羥基磷灰石礦化兩方

4、面進(jìn)行PP和PET的生物相容性改進(jìn)研究。絲素蛋白的固定主要采用了共價(jià)結(jié)合和溶液浸涂?jī)煞N方法，并以對(duì)PP的改性為基礎(chǔ)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)方法的初步探索。FET的改性中我們對(duì)兩種絲素蛋白固定方法進(jìn)行了深入的探討，全面分析了二者改性效果的異同及其產(chǎn)生原因。文章最后，我們?cè)诒砻娓男缘腜ET上進(jìn)行了羥基磷灰石的礦化，討論了不同改性對(duì)礦化的影響及礦化后材料的生物相容性。
　　絲素蛋白與材料的共價(jià)結(jié)合通過(guò)其與接枝于材料表面的聚丙烯酸(Poly(acryl

5、ic acid)，PAA)的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。為此，我們首先進(jìn)行了PP表面接枝PAA的試驗(yàn)，分別討論了聚合反應(yīng)時(shí)間、單體濃度、聚合反應(yīng)溫度、等離子體處理功率和時(shí)間等對(duì)PP表面PAA接枝率的影響，并初步得到PAA接枝反應(yīng)的較適宜條件:單體濃度40％，反應(yīng)溫度80℃，等離子體處理功率＞75 W，等離子體處理時(shí)間＞90s。
　　我們以等離子體功率100 W、處理時(shí)間120 s，丙烯酸(Acrylic Acid，AA)單體濃度40％(v/v

6、)，聚合反應(yīng)溫度80℃、時(shí)間4h的條件在PP膜表面接枝PAA（標(biāo)記為PP-PAA，其中PAA接枝率GD=0.33±0.18μg/cm2），并借助偶聯(lián)劑在其表面固定絲素蛋白（所得材料為PP-PAA-SF）;同時(shí)利用等離子體處理后直接浸涂絲素蛋白的方法制得PP-SF材料。大鼠間骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(Mesenchymal stem cells,MSCs)的培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PP-PAA-SF由于PAA的存在引入了細(xì)胞毒性，對(duì)MSCs的生長(zhǎng)有抑制

7、作用，而PP-SF則促進(jìn)了MSCs的生長(zhǎng)。
　　為降低PAA的接枝率，在PET表面接枝PAA的實(shí)驗(yàn)中我們將AA濃度降至20％(v/v)，得到接枝率GD=0.19±0.05μg/cm2的PET-PAA，并采取與PP表面固定SF相同的方法制取PET-PAA-SF和PET-SF兩種材料。我們利用表面衰減全反射紅外光譜(ATR-FTIR)、X射線光電子能譜(XPS)、原子力顯微鏡(AFM)和水接觸角(WCA)等對(duì)經(jīng)過(guò)不同表面改性處理的PE

8、T膜進(jìn)行了表征。XPS結(jié)果表明，PET-PAA-SF膜上確實(shí)建立了PAA與SF的共價(jià)連接，PET-SF由于等離子體處理在PET表面引入了羧基等極性基團(tuán)，除了疏水、靜電力相互作用外，SF還通過(guò)部分共價(jià)相互作用固定在PET表面。兩者相比較，PET-SF表面絲蛋白的固定量多于PET-PAA-SF，這樣的差異可能是由于固定SF前兩者表面粗糙度（對(duì)應(yīng)于比表面積）的不同造成的:AFM表征顯示，等離子體處理對(duì)PET產(chǎn)生了明顯的刻蝕，極大提高了材料表面

9、粗糙度，而接枝PAA后由于PAA對(duì)材料表面的填平效應(yīng)，得到的PET-PAA其表面粗糙度大大降低至原始PET的水平。固定SF后PET-PAA-SF與PET-SF的表面粗糙度相近，但是后者的水接觸角小于前者。
　　在MSCs的培養(yǎng)中，與PP-SF和PP-PAA-SF的實(shí)驗(yàn)結(jié)果類(lèi)似，PET-SF再次表現(xiàn)出優(yōu)異的細(xì)胞親和力，而PET-PAA-SF則抑制了細(xì)胞的生長(zhǎng)。這表明相對(duì)于將絲素蛋白共價(jià)結(jié)合于接枝PAA的聚合物材料表面，等離子體處理后

10、直接浸涂絲素蛋白是更簡(jiǎn)便易行且能顯著提高材料生物相容性的改性方法。
　　對(duì)于經(jīng)不同改性的PET無(wú)紡布于CaCl2和Na2HPO4溶液中交替礦化后的樣品，掃描電子顯微鏡(SEM)和熱失重分析(TGA)結(jié)果表明，PAA接枝和絲素蛋白固定由于引入了可以螯合鈣離子的羧基等極性基團(tuán)，極大提高了材料表面磷酸鈣鹽的沉積量，這種影響在礦化次數(shù)較少時(shí)表現(xiàn)明顯，并隨著礦化次數(shù)的增多，無(wú)機(jī)物逐漸布滿(mǎn)基底后減弱。XRD表征結(jié)果證明這種交替礦化方法在材料表

11、面產(chǎn)生的磷酸鈣鹽為羥基磷灰石。隨后，我們對(duì)PET-SF和PET-PAA-SF膜材料進(jìn)行10個(gè)礦化循環(huán)的磷酸鈣沉積制備PET-SF-10(HAP)和PET-PAA-SF-10(HAP)。MSCs培養(yǎng)結(jié)果表明，相對(duì)于有較好MSCs親和力的PET-SF，PET-SF-10(HAP)由于HAP的引入生物相容性進(jìn)一步提高。PET-PAA-SF-10(HAP)相對(duì)于PET-PAA-SF雖然對(duì)MSCs的粘附生長(zhǎng)有所促進(jìn)，但由于HAP引入的量大部分用于