关键词:
POSS
杂化水凝胶
抗钙化
自愈合性
生物相容性
摘要:
水凝胶是一种以水为分散介质的凝胶,它是由高分子化合物间通过相互作用力连接形成的一种交联聚合物,其3D网络中能容纳大量的水且不会在水中溶解。聚乙二醇(PEG)水凝胶是以PEG末端基团反应交联而成,具有无毒、良好的生物相容性以及较低的免疫原性等特点,而且在体内可被完全代谢,因此得到了美国食品药品监管局(FDA)的认可,是非常具有吸引力的生物医学材料。但由于其柔软的质地,PEG水凝胶在一些特定条件下的应用受到了限制,特别是作为组织工程支架材料,其力学强度远不能满足实际需求。因此,为了使PEG水凝胶得到更广泛的应用,就需要对其改性,在不改变其原本良好生物相容性的前提下增强其力学性能。多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)是一种具有立方笼状结构和多种功能性顶点的纳米级材料,已证明具有特殊的表面性能,强疏水性和高机械强度,并具有良好的生物相容性,被广泛应用于生物医用聚合材料的改性中。本论文将POSS纳米颗粒分别通过悬挂式和交联式引入PEG水凝胶的3D网络体系中,选用生物相容性较好的生物大分子作为交联剂,分别通过巯基与马来酰亚胺基的Micheal加成反应以及醛基与氨基的席夫碱反应,制备出三类POSS-PEG杂化水凝胶,并对制备出的POSS-PEG杂化水凝胶进行各项性能的研究。1、首先使用单巯基的POSS-SH纳米粒子与交联单体4-arm-PEG-MAL通过Micheal加成制备悬挂式的POSS-PEG-MAL预聚物,然后与基质金属蛋白酶底物肽(MMP(W)X)通过Micheal加成成胶。文中设计了4种不同POSS含量来对POSS-PEG杂化水凝胶的性能进行研究,详细的探讨POSS含量对杂化水凝胶性能的影响,其中主要对POSS-PEG杂化水凝胶的表面性能、血液相容性以及抗钙化性能进行了讨论,结果表明这种纳米复合材料不仅具有增强的机械和表面性能,而且具有出色的生物相容性。原子力显微镜和体内动物实验结果表明,与脱细胞猪主动脉瓣膜支架相比,PEG水凝胶基质中纳米级POSS在其表面起着重要作用,并有助于改善其生物学特性,减少了材料表面血栓形成。此外,通过体外试验和大鼠皮下包埋模型实验证实了POSS纳米颗粒的引入还使水凝胶具有更好的抗钙化性能。这些研究进一步证明了POSS-PEG杂化水凝胶是人工合成心脏瓣膜支架的潜在材料。2、通过合成八官能团的交联单体POSS-PEG-CHO来制备交联式的POSS-PEG杂化水凝胶。首先通过(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷缩合脱水反应合成八巯基取代的POSS-8SH,POSS-8SH与单烯丙基聚乙二醇(Allyl-PEG-OH)进行“巯基-烯”点击化学反应得到POSS-PEG-OH,然后与4-甲酰基苯甲酸进行Steghlich酯化反应制备出交联单体POSS-PEG-CHO,与酸性壳聚糖溶液通过席夫碱反应得到具有自愈合性能的POSS-PEG杂化水凝胶。探究了自愈合试验前后水凝胶的微观形貌、力学性能、降解率、溶胀性,并通过直接接触和浸入法对交联单体POSS-PEG-CHO、壳聚糖和水凝胶进行细胞相容性实验。结果表明,该水凝胶具有均匀的交联网状结构、良好的机械性能及溶胀性、可降解性以及出色的细胞相容性,其可作为伤口辅料和可注射水凝胶的候选材料。3、同样以前面制备得到的POSS-PEG-CHO作为交联单体,以季铵盐化的壳聚糖为交联剂,制备出三种具有不同固含量的POSS-PEG杂化水凝胶,同样探究了不同固含量的POSS-PEG杂化水凝胶的微观孔洞结构、机械性能、溶胀比、降解性能及细胞相容性。结果表明,这三种不同固含量的水凝胶均具有相似的交联网状结构、高力学强度、良好溶胀性、可降解性以及出色的细胞相容性,特别是其力学性能相比自愈合水凝胶得到了较大的提升,使得这种水凝胶成为作为组织工程支架的候选材料。本论文分别通过Michael加成反应和席夫碱反应制备了三种不同类型和不同性能的POSS-PEG杂化水凝胶。一方面,通过Michael加成反应制备的悬挂式的POSS-PEG杂化水凝胶表现出优异的抗钙化性能和生物相容性;另一方面,使用相同的POSS-PEG-CHO交联单体与两种不同的壳聚糖交联剂通过席夫碱反应得到的两种不同性能的POSS-PEG杂化水凝胶,并对其微观形貌、机械性能、溶胀比、可降解性及细胞相容性进行讨论。结果表明,这三种POSS-PEG杂化水凝胶都具有均匀的交联网状结构、良好溶胀性、可降解性以及良好的生物相容性,在生物医用材料领域具有潜在的应用前景。