絲素蛋白對PP和PET的表面改性及改性后材料表面礦化研究.pdf

1、作為物理化學性能優(yōu)異、原料來源豐富且價格低廉的塑料，聚丙烯(Polypropylene，PP)和聚對苯二甲酸乙二醇酯(Poly(ethylene terephthalate)，PET)已在汽車、家電、日用品及家具、包裝等國民經(jīng)濟和日常生活中各個領(lǐng)域得到廣泛應用。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)域的應用。目前，生物材料的

2、研究捷徑之一是對已有的物理機械性能俱佳的合成高分子材料進行表面改性，因此，若能對PP、PET的惰性表面進行生物相容性改進，我們將有望開發(fā)出以此為基體的生物材料，極大地拓展其應用空間。
　　蠶絲素蛋白(Silk Fibroin，SF)作為一種來源廣，價格低的生物大分子，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，能夠很好地促進細胞的粘附、生長和分化。與此同時，作為脊椎動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成骨能力被廣泛應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、面進行PP和PET的生物相容性改進研究。絲素蛋白的固定主要采用了共價結(jié)合和溶液浸涂兩種方法，并以對PP的改性為基礎(chǔ)進行了實驗方法的初步探索。FET的改性中我們對兩種絲素蛋白固定方法進行了深入的探討，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，我們在表面改性的PET上進行了羥基磷灰石的礦化，討論了不同改性對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結(jié)合通過其與接枝于材料表面的聚丙烯酸(Poly(acryl

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

6、)，聚合反應溫度80℃、時間4h的條件在PP膜表面接枝PAA（標記為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)干細胞(Mesenchymal stem cells,MSCs)的培養(yǎng)實驗結(jié)果表明，PP-PAA-SF由于PAA的存在引入了細胞毒性，對MSCs的生長有抑制

7、作用，而PP-SF則促進了MSCs的生長。
　　為降低PAA的接枝率，在PET表面接枝PAA的實驗中我們將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)等對經(jīng)過不同表面改性處理的PE

8、T膜進行了表征。XPS結(jié)果表明，PET-PAA-SF膜上確實建立了PAA與SF的共價連接，PET-SF由于等離子體處理在PET表面引入了羧基等極性基團，除了疏水、靜電力相互作用外，SF還通過部分共價相互作用固定在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（對應于比表面積）的不同造成的:AFM表征顯示，等離子體處理對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對材料表面的填平效應，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的實驗結(jié)果類似，PET-SF再次表現(xiàn)出優(yōu)異的細胞親和力，而PET-PAA-SF則抑制了細胞的生長。這表明相對于將絲素蛋白共價結(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便易行且能顯著提高材料生物相容性的改性方法。
　　對于經(jīng)不同改性的PET無紡布于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，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)較少時表現(xiàn)明顯，并隨著礦化次數(shù)的增多，無機物逐漸布滿基底后減弱。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PET-SF和PET-PAA-SF膜材料進行10個礦化循環(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一步提高。PET-PAA-SF-10(HAP)相對于PET-PAA-SF雖然對MSCs的粘附生長有所促進，但由于HAP引入的量大部分用于