羧甲基纤维素钠的硫酸酯化及其对医用聚乳酸表面修饰的研究

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生物医用高分子材料是一类可以对生物体组织进行替换、修复、治疗的功能性材料。目前使用最为广泛的植入材料为金属材料,主要用于血管支架、牙齿、骨、人工器官等。但将其植入生物体时可能会引发感染,造成组织损伤,诱发血栓形成,长期植入甚至会导致金属中毒。而近年来的生物医用材料研究热点-可生物降解材料,在植入生物体后,会在一定时间后被降解,一般生成二氧化碳和水被排除体外,不会因为二次手术使生物体遭受二次伤害,且被吸收后有利于组织恢复正常的收缩性。聚乳酸(Poly(L-lactic acid),PLA)就是其中具有代表性的可降解生物材料,它是利用微生物发酵产生的乳酸为原料合成的,具有良好的生物相容性和可降解性,被认为是最有前途的生物医用材料。但将其直接作为生物医用材料加以利用,又存在不可忽视的缺点,如表面亲水性差、容易诱发血栓形成、无细胞识别的有效位点等。因此,需要对其进行表面改性,对提高它与生物体的血液相容性和细胞相容性具有重要意义。本研究首先对羧甲基纤维素钠(Carboxymethylcellulose sodium,CMC)进行硫酸化改性制备类肝素羧甲基纤维素钠硫酸酯(SCMCs),随后利用静电层层自组装技术(LBL)在PLA膜表面构筑SCMCs/壳聚糖(Chitosin,CS)多层膜以改善其生物相容性。随后采用浸泡法在多层膜上负载抗菌药物硫酸庆大霉素(Gentamicin,GS),并对多层膜的载药释药性进行评价。为了进一步提高多层膜的稳定性,在SCMCs上接枝多巴胺(Dopamine,DA)制备DA-g-SCMCs,其后在PLA膜表面构筑基于共价键结合的DA-g-SCMCs/CS多层膜,并对该多层膜的生物相容性进行研究。具体如下:(1)首先采用三氧化硫-吡啶法对CMC进行硫酸化改性,制备了三种不同取代度(DS)的硫酸化羧甲基纤维素钠(SCMCs),分别记为SCMC1、SCMC2、SCMC3,对应DS分别为0.64、1.06、0.69。紫外光谱(UV)中显示SCMCs在263nm处有新吸收峰,红外光谱(FTIR)中出现S=O和C-O-S的特征吸收峰,核磁共振氢谱(~1H-NMR)中,各组分在3.0~4.5ppm之间的氢质子信号减弱,以上结果均表明CMC上成功接枝了磺酸基团。体外活性测定结果表明,与CMC相比,SCMCs获得了抗凝血活性、抗炎活性和抗菌活性,其中SCMC2的抗凝血活性最优。(2)采用LBL技术在PLA膜表面构筑SCMC2/CS多层膜以对其进行改性。利用扫描电子显微镜(SEM)、X-射线光电子能谱(XPS)、水接触角测定仪(WCA)和紫外可见分光光度计(UV-Vis)对多层膜的表面形貌、化学组成、润湿性及膜的增长方式等进行表征。SEM显示组装到15个双层时,膜表面被层状和颗粒状物质完全覆盖;XPS谱图中出现新的N和S的吸收峰,且随着层数的增加,峰强度也增加;WCA随着层数的增加逐渐下降,亲水性提高;UV-Vis结果则表明膜的增长是连续且均匀的。血液相容性测试结果表明,改性后的多层膜能有效降低牛血清白蛋白的吸附量、降低血小板的黏附和激活、有效延长活化部分凝血酶时间(APTT)和凝血酶时间(TT)、降低凝血激活和溶血率。细胞相容性测试结果表明,L929细胞可以在SCMC2/CS改性的PLA膜表面正常的增殖和分化。同时改性PLA膜也表现出良好的抗炎活性和抗菌活性。(3)利用浸泡法将GS作为模型药物负载到SCMC2/CS多层膜上,并进行释药行为研究。通过UV-Vis追踪多层膜药物的负载情况,其最大载药量为951.82μg/cm~2。研究其在不同离子强度、p H值和温度下载药多层膜的药物释放行为。利用DDSolver软件进行释放动力学拟合,建立释放模型。抗菌活性测试表明,载药多层膜对大肠杆菌(E.coli)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)具有明显的生长抑制效果,且对S.aureus的抑制效果优于E.coli。(4)在硫酸化多糖分子上接枝多巴胺,记为DA-g-SCMCs。通过UV、FTIR、~1H-NMR对其进行表征:UV结果显示,在280nm处有苯环的特征吸收峰;FTIR谱图中出现N-H的伸缩振动峰;~1H-NMR中7.0ppm左右处出现苯环吸收峰;以上结果表明多巴胺接枝成功。对DA-g-SCMCs的抗凝血活性进行测定,发现DA-g-SCMC2具有最优的抗凝血效果。采用LBL技术结合贻贝仿生技术将DA-g-SCMC2与CS交替沉积到PLA膜表面,得到基于共价键结合的DA-g-SCMC2/CS改性多层膜。SEM观察结果表明,改性膜表面出现层状堆叠,且较为平整光滑;WCA随着层数增加呈锯齿状下降。血液相容性测定结果显示,改性PLA膜能有效的降低蛋白质吸附、血小板的黏附和激活、延长APTT和TT,一定程度抑制凝血酶生成、降低溶血率。细胞相容性测定结果表明,L929细胞能在改性PLA膜表面增殖和分化。改性PLA膜也具有一定的抗炎活性和抑菌活性。与SCMC2/CS多层膜相比,DA-g-SCMC2/CS多层膜具有更好的稳定性。
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