（高分子化学与物理专业论文）壳聚糖棒材表面疏水化改性和制备工艺改进研究.pdf

摘要壳聚糖已经能够采用原位沉析法三维成型，但壳聚糖棒材在作为骨折内固定材料的实用化以及成型工艺的理论方面还存在一些问题，主要有：棒材的高吸水速率和吸水率导致棒材在湿态环境中力学性能损失过快；棒材成型机理尚不十分明确等。本文采用了表面乙酰化和涂覆生物酯防水层的工艺对棒材进行了疏水化改性尝试，并对原位沉析法进行了一定的改进，进一步明确了棒材成型机理。1 、针对壳聚糖棒材在湿态环境下力学性能衰减速率过快的原因进行了深入分析，参考纤维素的酰化工艺，采用“乙酸酐+ 浓硫酸”在常温下对壳聚糖棒材表面进行乙酰化疏水改性；制定并优化了工艺；对酰化效果进行了红外、接触角表征和吸水速率测试。表面乙酰化4 h 能有效的增大壳聚糖棒材的接触角，降低其亲水性，但只能有限延缓棒材的吸水速度，无法降低其吸水率。2 、采用壳聚糖棒材外表面涂覆物理防水层的思路，对各种生物相容的疏水材料进行了选择和比较。尝试了一种天然生物酯：对其涂覆工艺进行了优化：并通过模拟体液环境下壳聚糖棒材力学性能衰减实验对涂层防水效果进行了检验；结果表明该生物酯涂层结构致密，粘附性强，疏水效果极佳，结合棒材表面的乙酰化改性能有效地延缓棒材在湿态环境下力学性能的衰减。对其应用前景及改进方法进行了初步的分析。3 、在树木年轮结构的启发下，对原位沉析法进行了一定的改进，变连续的沉析过程为间歇可控的沉析过程，制备出横截面具有类似树木年轮状圈层结构，分层清晰可见壳聚糖棒材：该成型工艺的改进有利于进一步明确原位沉析法的成型机理。关键词：壳聚糖棒材表面改性疏水乙酰化生物酯间歇沉析法a b s t r a c ti n s i t up r e c i p i t a t i o nm e t h o dh a sb e e nd e v e l o p e dt op r e p a r ec h i t o s a nr o d ( c r ) b u t ，h i g hw a t e rp e n e t r a t i n gr a t ea n dl a r g ea m o u n to fw a t e ra b s o r p t i o no fc rb l o c ki t sp r a c t i c a la p p l i c a t i o na si n t e r n a lf i x a t i o no fb o n ef r a c t u r e ，t h ep r e p a r a t i o nm e c h a n i s mo fc ri sn o tv e r yc l e a ra sw e l l i nt h i st h e s i s ，s u r f a c ea c e t y l a t i n ga n db i n e s t e rc o a t i n gw e r et r i e df o rs u r f a c eh y d r o p r o b i z a t i o no fc r ，a n da ni m p r o v e dp r e p a r a t i o nm e t h o dw a ss t u d i e df o rc l a r i l y i n gi n - s i t up r e c i p i t a t i o nm e c h a n i s mf u r t h e r 1 t h ef a c t si n f l u e n c i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa t t e n u a t i o no fc ri nw e ts i t u a t i o nw e r es t u d i e d a c e t i ca n h y d r i d ec a t a l y z e db ys u l f i t r i ca c i dw a su s e dt oc rs u r f a c ea c e t y l a f i o n ，t h ea c e t y l a t i o np r o c e s s i n gw a so p t i m i z e d ，a n dt h ef i n a lw a t e r p r o o fe f f e c tw a sc h a r a c t e r i z e db yf t i r ，c o n t a c ta n g l ea n dw a t e ra b s o r p t i o nr a t ea l s o s u r f a c ea c e t y l a t i o nc a ni n c r e a s ec o n t a c ta n g l eo fc re f f e c t i v eb u tw o r k sal i t t l ei nd e l a y i n gw a t e rp e n e t r a t i n g 2 f o rc o a t i n gaw a t e r p r o o fl a y e ro i l _ t h ec rs u r f a c e ，c o m p a r i s o na n ds e l e c t i o nh a v eb e e nm a d ea m o n gs e v e r a lb i o c o m p a t i b l em a t e r i a l s o n ek i n do fb i n e s t e rw a sa p p l i e da sc o a tf i n a l l yf o rat r i a l t h ec o a t i n gp r o g r e s s i n gw a ss t u d i e d a ss h o w ni nt h er e s u l to fe x p e r i m e n to nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa t t e n u a t i o no fc ri na r t i f i c i a lb o d yf l u i d ，t h eb i o e s t e rl a yw i t hc o m p a c ts m a c t u r ea n ds 艋o n ga d h e s i v ea b i l i t yh a sv e r yg o o dw a t e r p r o o fe f f e c tc o m b i n e dw i t hs u r f a c ea c e t y l a t i o nm e t h o d i t sp r o s p e c t i v eu s ea n di m p r o v e m e n tm e a s u r e sw e r ea l s od i s c u s s e d 3 i l l u m i n e db ya n n u a lr i n go f w o o d ，i n s i t up r e c i p i t a t i o nm e t h o dw a si m p r o v e db yc h a n g i n gu n i n t e r r u p t e dp r e c i p i t a t i o ni n t oi n t e r m i t t e n ta n dc o n t r o l l a b l ep r o c e s s ，w h i c hp r o d u c e dak i n do fc rw i t hl a y e r e ds t r u c t u r es i m i l a rt oa n n u a lr i n go nt h e i rc r o s ss e c t i o n t h ei m p r o v e m e n ti sh e l pt oc l a r i f yt h ep r e p a r a t i o nm e c h a n i s mo fc r k e yw o r d s ：c h i t o s a nr o d ；s u r f a c em o d i f i c a t i o n ；h y d r o p r o b i z a t i o n ；a c e t y l a t i o n ；b i o e s t e r ；i n t e r m i t t e n t l yp r e c i p i t a t i o n浙江人学硕上学位论文第一章文献综述生物医用植入材料是生物医用材料( b i o m e d i c a lm a t e r i a l s ) 的一种，通常是指由外科手术植入到人体内的，用于组织器官的替换、修复、重建，并和人体的组织、器官和血液保持长期或持久接触的材料【l 】。生物医用植入材料按其在活性组织中的行为，可划分为生物稳定的、生物可降解吸收的和生物可部分降解吸收的。这其中生物可降解吸收的植入材料对于组织和器官修复和重建有着重要意义，它既能“为机体提供暂时的支架或屏障”【2 】，又能在完成使命后，通过降解成人体可吸收的物质而消失，避免体内因长期存在外来异物而产生的排异反应、非感染性炎症及其他一些不良影响，同时也避免二次手术取出所带来的诸多痛苦和麻烦。鉴于使用环境的特殊性，临床上对可吸收型植入材料有着非常严格的评价标准，其除应满足基本的医疗功能外，还应具备优良的生物相容性( 含组织相容性、血液相容性、免疫性) 、可降解性、降解产物的安全性和可吸收性等。而甲壳素壳聚糖因其优异的生物相容性和可降解吸收性，在植入材料领域有着广阔的应用前景。生物医用植入材料因其所处人体内的特殊环境，在设计和加工上应考虑两个方面的影响因素：一是保证材料本身的生物相容性，二是防止体内环境对材料功能性的不利影响。而植入材料其表面的生物学特性对上述两方面都起到了至关重要的作用，控制和改善植入材料的表面性质，是改善和促进材料表面与生物体之间的有利相互作用，抑止不利的相互作用的关键途径。植入材料表面的化学成分、结构、形貌、能量状态、亲疏水性、电荷分步、导电特征等表面化学、物理及力学特性均会影响材料与生物体之间的相互作用。通过物理、化学、生物等各种技术手段改善材料的表面性质，可大幅度改善生物材料与生物体的相容性。1 1 可吸收型甲壳素壳聚糖生物医用植入材料1 1 1 甲壳素壳聚糖的优势甲壳素( c h i t i n ) ，又名甲壳质、几丁质、甲壳胺等，学名：卢一( 1 4 ) 一2 一乙酰氨基一2 一脱氧一口一葡萄糖( p o l y 一口一( 1 4 ) 一肛a c e t y l 一口一g l u c o s a m i n e ) ，是由胪乙酰氨基葡萄糖以卢一1 ，4 糖苷键缩合而成的一种天然浙江大学 1 1 2 j 十学位论文高分子多糖。甲壳素 l 乙酰基脱去5 5 以上的就可以称为壳聚糖( c h i t o s a n ) ，又名壳多糖、几丁聚糖、壳糖胺。关于甲壳素壳聚糖的来源、结构特点、理化性能等已有大量文献论及，在此不再累述。关于植入材料的生物相容性，世界各国都制定了严格的评价标准。我国的国标规定了对医疗器械( 材料) 进行生物学评价的9 项基本实验和4 项补充实验【3 i ，分别是：细胞毒性、致敏、刺激、皮内反应、全身毒性( 急性) 、亚慢性毒性( 亚急性毒性) 、遗传毒性、植入、血液相容性以及慢性毒性、致癌性、生殖与发育毒性、生物降解。已有大量文献就有关甲壳素壳聚糖的生物相容性实验进行了报道，尤其是人们倍为关注的降解产物的问题，大量的体内外降解实验表明，甲壳素壳聚糖在体内被酶降解的最终产物为 l 乙酰氨基葡糖氨基葡糖，对人体无毒无害，且在体内不易积聚，无免疫源性，引起的组织反应很小，可被机体缓慢吸收1 4 1 。综合对这种天然多糖进行的大量相关实验，可以认为：甲壳素壳聚糖是目前已知的可用作植入材料的非人体所产生的物质中生物相容性最好的天然产物，因而也是2 1 世纪最具发展潜力的生物医用植入材料!1 1 2 甲壳素，壳聚糖可吸收手术缝合线1 1 2 1 传统的可吸收手术缝合线可吸收手术缝合线主要用于消化系统外科和整形外科等需要内缝合的手术中。理想的缝合线应当具有良好的组织相容性，适宜的强度和强度保持时间，以满足伤口愈合的需要，同时还能被人体降解吸收【5 1 。目前，在需要内缝合的外科手术中，广泛采用的可吸收缝合线主要是羊肠线和人工合成线。肠线由羊肠的粘膜下层和牛肠浆膜层内的胶原加工而成，柔韧性欠佳，使用中易产生抗体反应，在消化液和感染环境中强度损耗过快1 6 】；合成线的代表是商品名为d e x o n 的聚羟基乙酸线( p g a ) ，缺点是缝合打结时易打滑，不易进入机体组织，对细菌的抵抗能力较差，在空气中易分解，不易保存，少数会产生非感染性炎症【7 1 。1 1 2 2 新型甲壳素，壳聚糖可吸收手术缝合线的制备工艺利用甲壳素为原料制作可吸收缝合线始于2 0 世纪7 0 年代，日本在该领域的研究处于世界前列，著名的尤尼吉卡公司( u n i t i k a y u n i c h i k al t d ) o 】已有多2浙江大学硕士学位论文项专利和产品面世【l “。国内相关研究工作始于9 0 年代，吴清基等领导的中国纺织大学课题组与上海昆虫研究所、长征医院联合开发的用从蚕蛹中提炼制取的甲壳素制备可吸收缝合线的技术已取得了相当的成功【l2 1 。目前，甲壳素缝合线的制备技术已较为成熟，一般采用湿法纺丝工艺，采用的原料多为高纯度的甲壳素粉末，常用的溶剂有六氟丙酮、六氟异丙醇、甲酸一二氯乙酸、三氯乙酸或二氯乙酸与含氯烃类的混合物、二甲基乙酰胺( d m a e ) 一氯化锂、n 一甲基吡咯烷酮( n m p ) 一氯化锂混合溶剂等【1 2 ，l ”，具体的生产流程如图所示：通过选择不同溶剂，凝固剂，改进纺丝和后处理工艺，可制各出多种型号能满足不同要求的可吸收甲壳素缝合线。1 1 2 3 甲壳素壳聚糖可吸收手术缝合线的优点吴清基等口l 认为，甲壳素缝合线具有众多独特的优点：人体耐受性良好；具有一定的抗菌消炎作用，能促进伤口愈合，疤痕小；强度和柔韧性适中，表面摩擦系数小，易于缝合和打结：植入后吸收均匀，强度衰减速率适中，能满足伤口愈合全过程对缝合线强度的要求：可进行常规消毒，还可以进行染色，防腐等特殊处理；空气中不分解，易保存；原料来源广，加工简便，成本低。g o o s e n l l 4 1 的研究还表明，甲壳素缝合线对消化酶、感染组织及尿液等耐受性比肠线和p g a 线要好。侯春林等【1 51 6 】进行的动物体内试验也充分表明了甲壳素缝合线明显优于肠线。但目前甲壳素缝合线在临床上还并未被大规模使用，其主要问题在于拉伸强度与p g a 类缝合线相比还有一定差距，还不能满足高强度缝合的需要：而且在胃液等酸性条件下强度损失较快i 1 ：也有动物实验表明，使用甲壳素缝合线在伤口愈合中期会出现原因不明的轻度炎症【”。为解决实际使用中的问题，已有文献报道采用甲壳素衍生物制各缝合线【1 8 j ，同时，采用一些新的浙江人学硕士学位论文纺丝工艺，如壳聚糖液晶纺丝提高强度1 9 1 等，已表现出较好的效果。几种可吸收手术缝合线的主要性能相对比较见表1 2 0 , 2 1 l 。t a b 1c o m p a r i s o n ：m a i np e r f o r m a n c eo f s e v e r a la b s o r b a b l es u t u r e sp e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nt e n s i l es t r e n g t ht i s s u er e a c t i o ns t r e n g t ha t t e n u a t i o nr a t ec o n v e n i e n c ef o ro p e r a t i o nd e x o n c h i t i nf i b e r c a t g u tc a t g u t d e x o n 。c h i t i nf i b e rc a t g u t c h i t i nf i b e r ( n o ts u i t a b l ei na c i d i cc o n d i t i o n ) d e x o nc h i t i nf i b e r d e x o n c a t g u t1 1 3 壳聚糖术后防粘连膜1 1 3 1 现有的术后防粘连产品在施行腹腔、心血管、脊柱及肌腱等部位的外科手术后，普遍存在手术性粘连问题。为解决其危害，有人提出了“屏障隔离”的想法，即在术后易发生粘连的部位包覆一层与机体不粘连的薄层材料。现有的术后防粘连产品有两种：一是美国w l g o r e & a s s o c i a t e s 公司的g o r e , - t e x 术后防粘连膜，其主要成分为聚四氟乙烯( p t f e ) ，但p t f e 是一种惰性材料，在人体内无法降解，必须通过二次手术取出，使用不甚方便，而且疗效有限1 2 2 2 3 】；二是美国j o h n s o n j 0 h s o n 公司开发的i n t e r d e e d ( t c 乃，是由氧化再生纤维素编织而成的可降解吸收的屏障物。其研发小组的评价报告显示：使用t c 7 防治术后粘连的总见效率从未使用前的2 8 提高到了5 4 ，但其血液相容性较差，血液的存在会显著降低其使用效果l2 4 1 。l - 1 3 2 壳聚糖术后防粘连膜的研究进展壳聚糖具有良好的成膜性，在医用领域关于壳聚糖伤口敷料与人工皮肤的研究已相当深入。侯春林等【2 5 1 曾报道用2 壳聚糖溶液直接涂布防治肌腱的粘连，取得了一定的效果；卢凤琦等【2 6 】报道以甘油为增塑剂，将壳聚糖的醋酸溶液进行溶液涂膜，制得厚度约3 0 5 0um ，柔软透明，具有一定机械强度的术后防粘连膜。动物实验表明：壳聚糖膜植入小鼠体内期间，除在1 5 天左右组织略充血，有包膜现象外，其余均无异样反应，膜的防粘连效果较好【2 7 1 ；因纯壳聚糖膜的降解速度过慢，后期又采用壳聚糖与水溶性明胶混合制膜，大大提高了膜的降解4浙江大学烦+ 学位论文速度，但仍有植入初期周围组织充血、略微红肿的现象，原因待查2 ”。郑化等【2 9 l报道用环氧氯丙烷交联能显著提高壳聚糖膜的抗张强度，而且通过反应温度的控制，调节交联程度，达到降解速度可控的目的。在这些工作的基础上，本课题组探索出一种缩短制膜时间的新工艺1 30 】：在溶液涂膜后，将壳聚糖浸入由乙醇、甘油和k o h 组成的凝固液中可大大加速壳聚糖的溶液一凝胶转变，将制备时间从通常的几天缩短为6 h 。目前报道的壳聚糖术后防粘连膜离最终的实用化还有一定距离。存在的问题主要有：( 1 ) 膜与机体黏附性差，手术操作时难以包覆固定，缝合强度又显不足；( 2 ) 植入前期出现原因不明的轻度炎症和异物反应；( 3 ) 降解速度不易控制等。针对上述问题，本课题组进行了深入研究并逐步摸索出一套将改性壳聚糖用于术后防粘连膜制备的新技术。制备出的改性壳聚糖膜厚度小于5 0l am ，光滑均一，完全透明，而且强度适中，与体液接触后立刻变软发粘，易于粘贴，降解迅速，临床使用极其方便，是一种极有前途的术后防粘连材料。目前，严格的动物实验正在按步骤进行中，具体的研究工作不久将有另文报道。1 1 4 壳聚糖骨折内固定材料骨折是种常见的疾病。由于人的骨骼具有一定的再生修复功能，目前针对骨折的主要治疗方法是借助外力将断裂的骨骼对接固定后，依靠骨细胞的再造功能填补裂缝，使之重新连成一体。固定的方法可分为两类：外固定和内固定。内固定不仅效果好，而且能减轻患者的痛苦，因而被广泛采用。目前，市售的可吸收型骨折内固定材料主要有两种：商品名为b i o f ：x * 的自增强左旋聚乳酸( s r - -p l l a ) 棒和商品名为o r t h o s o r b 。的聚二恶烷( p d s ) 钉，这两种内固定材料具有优异的力学性能和强度保持时间，但在使用中均暴露出存在后期非感染性炎症的问题，因此，有报道国外一些外伤中心已不再使用这些器件【3 ”。壳聚糖很早就被用于骨损伤的修复，有不少文献报道将壳聚糖或其改性衍生物作为无机填料( 如磷酸钙或羟基磷灰石) 的粘接和赋型剂用于骨缺损的填充修复 3 2 - 3 7 。但是，直接将壳聚糖三维成型，制成植入骨骼的内固定棒材，目前国内外还鲜有报道。原因是壳聚糖分子间有强烈的氢键作用，熔融温度在分解温度之上，不能将壳聚糖直接熔融加工成棒材，而且壳聚糖不溶于水和一般溶剂，仅溶浙江大学硕上学位论文于稀酸，用常规的溶液浇注法也难以制取能满足医学上使用要求的材料。1 9 9 6 年，国内安徽医科大学张建湘等人【38 】首次报道了一种壳聚糖棒材的制各工艺，制得了长4 0 m m ，直径4 m m ，抗张强度为4 3 3 m p a ，剪切强度为4 6 m p a 的内固定钉。初步的动物实验表明这种壳聚糖内固定钉能保证骨骼的顺利愈合，但实验中钉周围也出现了明显的炎症反应，且钉的强度尚不能满足人体骨折内固定的要求。最近，本课题组探索出了一种新的成型方法原位沉析法，成功制备了结构有序、力学性能优良的壳聚糖棒材【3 9 1 。其制备方法是：以壳聚糖膜为模板，将壳聚糖浓溶液浇注模板内，浸入n a o h 凝固液中，通过膜渗透原位层析得到壳聚糖凝胶棒，洗涤浸泡至中性后烘干，所得的样品见图1 。棒材主要力学性能与未增强的左旋聚乳酸( p l l a ) 棒材相比强度相当，但与用纤维自增强的b i o f i x 睁相比强度还有待进一步提高。具体数据见表2 【3 9 】。另外，我们又尝试了一种利用原位层析法将纳米级羟基磷灰石引入壳聚糖体系复合制备骨折内固定材料的新工艺【4 0 】。羟基磷灰石( h y d r o x y a p a t i t e ，h a ) 是人体自然骨的主要成分( 含6 0 7 0 ) ，具有极佳的生物活性，已有实验表明其对骨组织生长有一定的诱导性1 4 q 。壳聚糖羟基磷灰石复合棒材作为骨折内固定材料有望促进骨骼的修复。t h b 2c o m p a r i s o no f t h em e c h a n i c a ls t r e n g t hb e t w e e nc h i t o s a nr o da n do t h e rm a t e n a b( o6 ：b e n d i n gs t r e n g t h ；os ：s h e a rs l r e n g t h ；e6 ：b e n d i n gm o d u l u s )s a m p l e盯( 胁)仃s o v a )e6 ( g p a )c sr o d9 2 43 6 54 1p l l ar o d5 7 - 1 4 55 3 , - 6 13 6 - 5 1s r - p l l a ( b i o f i x )1 9 0 2 0 01 6 0 1 7 08 - 1 01 1 5 总结与展望人类发现甲壳素及壳聚糖已有1 0 0 多年的历史，但将其用于生物医用材料领域还是近3 0 年的事。从现有研究成果看，甲壳素及壳聚糖有着良好的应用前景，其用于可吸收型植入材料的研究已从一维的线材、二维的膜材发展到三维的棒材，取得了长足的进步。但目前投入临床使用的甲壳素和壳聚糖植入材料还非常有限，究其原因，研究中面l 临的最大困难有三方面：一是制备工艺受限。目前除6浙江大学硕士学位论文将其溶于特定溶剂外，尚无更有效的加工办法，制品力学性能不尽如人意；二是制品在植入后总不可避免带来原因不明的机体异样反应：三是制品的降解速率受多种因素( 主要是酶) 的影响，尚无法控制。为进步解决甲壳素及壳聚糖生物医用植入材料在使用中出现的问题，我们可以考虑采用其衍生物4 2 删或对其进行化学改性和表面处理】；但从长远的眼光看，生物医用材料的发展不能仅从材料化学的角度，更重要的应当是从生命科学的角度进行探讨和研究，通过模拟生物体的高级结构，使其成为具有一定生物功能的仿生材料，真正走出一条医用材料生物化的道路 4 5 j 。1 2 壳聚糖的化学改性【4 6 。4 9 】1 2 1 烷基化改性m 5 2 1壳聚糖的烷基化反应主要发生在c 2 的- - n h 2 上，c 3 、c 6 位的- - o h 也可发生取代反应，以n 一烷基化较易发生。壳聚糖分子中游离一n h 2 具有很强的亲核作用，易在n 上引入烷基类取代基，而且可带多种基团。烷基化试剂一般是卤代烃或硫酸酯。用不同碳链长度的卤代烃对壳聚糖进行改性，可制备乙基壳聚糖、丁基、辛基和十六烷基壳聚糖。在壳聚糖的烷基化反应中、反应时间、反应温度、反应介质、碱的用量和改性剂的用量直接影响改性产物的理化性质。一般而言，为制得高取代度和高粘度的衍生物，反应时问以2 4 h 为宜、反应温度以4 0 6 0度为宜。壳聚糖分子链上引入烷基后，分子间氢键被显著削弱，因此烷基化壳聚糖可溶于水，但若引入的烷基链太长，则其衍生物会不完全溶于水，甚至不完全溶于酸性水溶液，如十六烷基壳聚糖。另外，席夫碱反应也是制备n 一烷基化衍生物的一个重要途径，详见下文。1 2 2 酰基化改性【5 3 - 5 5 】壳聚糖的酰化反应是指壳聚糖与酰氯或酸酐反应，从而导入不同分子量的脂肪族或芳香族酰基。酰化反应可在羟基( o - - 酰化) 或氨基( n 一酰化) 上进行，酰化产物的生成与反应溶剂，酰基结构、催化剂种类有关。若酰基结构庞大，其位阻会使0 一酰化难以进行。在n 酰化中介质影响很大，使用甲醇和乙醇或甲醇的浙江大学颁十学位论义甲酰胺的双相混合介质时，反应速度最大。用有机非质子传递溶剂，采用高度膨胀的壳聚糖，在室温下3 m i n 即可完全酰化。若与过量的乙酰氯、癸酰氯在无水吡啶一氯仿中沸腾反应，可得到完全酰化产物，在醋酸一甲醇介质中用酸酐在低温下反应也可得到充分酰化产物。酰化壳聚糖中的酰基破坏了分子问的氢键，改变了它们的晶态结构，提高了壳聚糖的溶解性。高取代的己酰化、癸酰化、十二酰化壳聚糖可溶于苯、苯酚、四氢呋喃、二氯甲烷。除此之外，酰化壳聚糖的成型加工性也大大改善。1 2 3 羧基化( 醚化) 改性【56 羧基化( 醚化) 反应是指用氯代烷基酸或乙醛酸，在壳聚糖的c s 羟基或氨基上引入羧烷基基团，得到溶于水的羧烷基壳聚糖。研究最多的是羧甲基化反应，其相应的产物为o 一羧甲基壳聚糖( o - - c m c ) 、n 一羧甲基壳聚糖m - - c m c ) 平i o ，n 一羧甲基壳聚糖( o ，n - - c m c ) 。这是一类很重要的衍生物。r m u z z a r e l l i对它们的制备方法及应用作了较全面的综述。将壳聚糖在3 0 左右用十二烷基硫酸钠( s d s ) 碱化后，悬浮于异丙醇中，室温下与氯乙酸反应而得到o c m c 【】。壳聚糖的醚化物还可进一步进行衍生，生成新的衍生物。1 2 4 酯化改性防5 9 】壳聚糖的酯化改性通常用含氧无机酸作酯化剂，使壳聚糖中的羟基形成有机酯类衍生物。常见的酯化反应有硫酸酯化和磷酸酯化。硫酸酯化试剂主要有浓硫酸、s 0 2 、s 0 3 、氯磺酸等，反应一般为非均相反应，通常发生在c 6 位的- - o h上。磷酸酯化反应一般是在甲磺酸中与壳聚糖反应。各种取代度的磷酸酯化物都易溶于水，高取代度的壳聚糖磷酸酯化物溶于水，而低取代的不溶于水。1 2 5 希夫( s h i f t ) 碱反应壳聚糖上的- - n h 2 可以与醛酮发生s h i f t 碱反应，生成相应的醛亚胺和酮亚胺多糖o ，利用此反应，一方面可保护游离一n h 2 在羟基上引入其它基团：另一方面再还原( 和硼氢化钠n i 应) n 得到相应的n 一取代多糖。利用s h t f f 碱反应可浙江大学硕十学位论义以把还原性碳水化合物作为支链连接到壳聚糖的氨基氮上，形成n 一支链的水溶性产物。1 2 6 接枝【6 0 6 3 】接枝共聚反应是壳聚糖最有吸引力的化学改性之一。乙烯基单体在壳聚糖上进行接枝聚合，可得到新型的特种合成多糖聚合物。接枝共聚物在生物医学上具有很大的应用价值。通过在壳聚糖的葡胺糖单元上接枝乙烯基单体或其它单体，合成半聚合物多糖，可将合成聚合物的优异性能赋予壳聚糖。壳聚糖的接枝共聚合反应可以在多种条件下，以不同的机理进行。如用铈离子、过硫酸钾、过氧化氢一亚铁离子等氧化一还原引发剂：偶氮二异丁腈引发剂：或通过光、v 一射线氧化一还原引发剂中，对接枝反应最有效的为铈离子反应一般是在非均相条件下进行的。在钵离子作引发剂时，丙烯酸、丙烯酸酯、丙烯酸酰胺、甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯等乙烯基单体可以被接枝到壳聚糖的葡胺糖单元结构上。侧链的引入削弱了壳聚糖分子内和分子间的氢键，破坏了壳聚糖的结晶结构，改善了其溶解性能。1 9 9 4 年s i n g h 等用y 一射线在水和甲醇中引发羟乙基丙烯酸酪接枝壳聚糖的反应，指出溶剂体系对接枝度有显著影响。1 2 7 交联6 4 , 4 4 】壳聚糖与交联剂戊二醛发生交联反应是一种应用很多的交联改性方法，反应能在均相或非均相条件下，在较宽的p h 值范围内于室温下迅速进行。常用的交联剂还有环氧氯丙烷、环硫氧丙烷等。另外，还能把壳聚糖用三氯乙酸酰化成光敏聚合物后在紫外光照射下交联。交联作用可发生在同一直链的不同链节之间，也可发生在不同直链间。交联壳聚糖是网状结构的高分子聚合物，是一种良好的重金属吸附材料。1 3 生物医用植入材料的表面改性6 5 , 6 6 , 4 4 生物医用植入材料主要有金属、陶瓷和高分子三大类，但无论基材为何，绝大多数植入材料在实用化的过程中都要经历表面改性，其主要意义在于：一是保9浙江大学硕十学位论文证植入材料本身的生物相容性( 特别是血液相容性) ，甚至要考虑生物活性，如材料表面细胞的生长环境和细胞粘附的难易程度以及抗菌消炎等：二是防止体内环境对材料功能性的不利影响，如体液对材料的腐蚀降解作用等。在生物医学工程中，表面改性手段的分类有很多种，如可划分为湿法及干法；湿法主要是在液相进行各种化学反应从而进行表面改性的技术；干法主要是在气相中进行各种反应或沉积。表面改性手段也可分为物理手段、化学手段、物理化学手段及生物手段等，并可单独或联合使用。物理手段包括：、表面形貌修饰、涂层涂覆与表面吸附；化学手段主要是利用单相或多相的化学反应来修饰材料表面；物理化学手段主要是各种物理和化学方法的综合运用，如外加辐射( 紫外、激光、y 射线等)条件下的化学反应，离子注入与等离子喷涂，各种表面沉积法( 如低温液相沉积、电化学沉积、物理气相沉积、化学气相沉积等) ；生物手段主要有自组装单分子膜，表层预种植细胞，涂覆蛋白质层等。以下将对生物医用植入材料的主要表面改性手段作一简要概括。1 3 1 物理手段1 3 1 1 改变表面形貌修饰【4 4 】植入材料的生物相容性除了与材料表面化学状态有关外，还与材料的表面形貌密切相关。表面粗糙的材料相对与表面平整的材料而言，更利于细胞及组织与材料表面附着和紧密结合。粗糙表面对于细胞、组织的作用并不完全是增加接触面积，而是粗糙表面能够择优粘附成骨细胞、上皮细胞。此外，粗糙表面的形态对细胞生长有“接触诱导”作用，即细胞在材料表面的生长形态受材料表面形态的调控。有报道说，当材料的表面粗糙度为1um 3um 时，可以显著促进细胞在材料表面的附着和生长。改变植入材料表面粗糙度的主要手段有：( 1 ) 、用精密的机械加工方法在材料表面加工出约5 0 0ui n 尺寸的螺线、台阶和孔洞等；( 2 ) 、用微机械和微刻蚀技术获得3 um 1 0 i xm 深度且距离和形状均壳精确控制的粗糙表面：( 3 ) 用等离子体喷涂复型方法和离子束轰击方法，能获得精确的表面显微形貌。目前，植入材料表面形貌与细胞、组织的粘附行为间的关系已较为明确，但还无法从分子水平上对二者间的关系做出解释，进一步的工作还在进行中。1 0浙江大学硕十学位论文1 3 1 2 涂层涂覆与表面吸附【6 7 , 6 8 】( 1 ) 、直接涂覆法：在植入材料基材表面直接涂上一层物质，该物既与基材相容，又含有其它功能性基团，依靠物理和( 或) 化学键作用，在材料表面引入所需官能团，即引入了所需性能，如与水的浸润性，抗菌性等，缺点是界面粘接性问题不易解决，耐久性较差，涂层易损坏。b r i g d e t t 将硅橡胶脑脊液分流管涂上h y- - d r o m e r 亲水层后，发现细菌的粘附减少9 0 ；他还用一种表面活性剂( 聚氧化乙烯和氧化丙烯的合成物) 处理聚苯乙烯( p s ) 表面，可使细菌粘附减少9 7。( 2 ) 、化学浸渍法：通过一个能连续循环浸渍的装置，将溶液中的化学成分引入生物材料最外层表面。w r o b l e s k i 用该法在聚醚氨酯( p e u ) 表面引入聚乙烯基吡咯烷酮( p v p ) ，聚乙二醇( p e g ) 及有抗茵效果的碘与硝酸银，降低了材料的表面张力，又提高了抗菌效果。但这种表面的非化学键作用，随着时间的延长，高分子或其它物质的扩散，效果也会逐渐减小。( 3 ) 、外加能量涂覆法：如通过激光等将涂层材料融化后涂覆于基体材料表层。典型的例子是将羟基磷灰石( h a ) 粉末铺附在金属表面，用高能量激光束照射并在材料表面扫描，使h a预覆层及基体表面熔化，相互结合形成一层与基体结合牢固的生物陶瓷复合涂层。1 3 2 化学手段6 9 。7 2 】化学修饰是高分子植入材料表面改性最直接，最常用的方法。根据基体材料的不同，用于表面化学改性的试剂千变万化，但归纳起来，其实现手段主要有：1 、表面化学接枝：仅限于材料表面发生的非均相反应。接枝单体可以是气相或液相，其中液相单体对基体材料不能有太好的溶解性。为达到只在表面层进行选择性接枝，必须控制自由基的数量或浓度，或者控制好单体的扩散与渗透仅限于表面层发生。区别于传统的聚合物接枝，表面接枝产物因其表面和本体结构不同，只是一种表面接枝改性的复合材料：2 、偶合接技：通过偶合接枝，将现成的高分子接枝到材料表面上，要求植入材料表面及要偶合接枝上去的高分子两者都有发生偶合的官能团，如氨基或羟基。否则要设法引入活性官能团。偶合接枝多用在酶固定的场合或者对有生理活性的高分子，比如聚氨基甲酸酯的表面肝素化。浙江大学硕上学位论文1 3 3 物理化学手段1 3 3 1 外加辐射条件下的表面化学反应【7 3 , 4 4 1高能辐射线可以激发电子振荡，引起化学键的断裂，或产生自由基，因而可以用来引发高分子材料表面的化学改性，常用的辐射源有紫外、激光、y 射线( c 0 6 0 和c s l 3 7 ) 、d 射线( k r 8 5 ) ，射线( p 0 2 1 0 ) 及加速器产生的x 射线和电子射线等。用y 射线或电子束对聚合物进行高能辐射时，反应是从基材表面开始的，但由于辐射能穿透基材，故反应会逐步地深入到内层，特别是在氧气氛围下，自由基与氧加成形成过氧自由基，这种过氧自由基能进一步反应产生氧化基团。故这种高能辐射下的接枝聚合或氧化反应不是单一的表面反应，进一步的深层反应将影响到材料的本体性能，故需在操作时仔细控制。j a n s o n 等人用c 0 6 0y 射线辐射接枝的方法将亲水性单体接枝到聚醚氨酯( p e u ) 上，材料表面亲水性大幅度上升，同时对表皮葡萄球细菌粘附减少约5 0 。紫外光辐照改性的原理大同小异，大多数聚合物不吸收波长范围为3 0 f f - - 4 0 0 n m 的紫外光，而该波长的光却能有选择性地激发光引发剂( 如芳族酮类) ，故在紫外光辐射下处于基材表面的引发剂能引发单体的接枝反应，对基体本身的性能无影响。此法工艺过程简单，反应时间短( 几分钟以内) ，成本低，又不损坏材料的本体性能，故近年来发展较快，极具工业应用前景只是为提高紫外线照射反应的效力，须加入光敏剂如二苯甲酮、二苯乙醛酮及金属离子c e 4 + 、f e 3 + 、f e 2 + 等。辐射接校反应的接枝率与单体活性，辐射能量大小，材料的化学单元结构及表面形态，光敏剂浓度、温度、溶剂甚至材料表面溶液层的厚度等因素有关。1 3 3 2 等离子体处理与离子注入7 4 - 7 6 1等离子体时一种全部或部分电离的气态物质，含有亚稳态和激发态的原子、分子、离子，并且电子、正离子、负离子的含量大致相等。等离子体中的电子、离子、原子、分子等都具有一定的能量，可与材料表面相互作用，产生表面反应，使表面发生物理化学变化而实现表面改性。等离子体表面改性又三种类型：等离子体表面聚合、等离子体表面处理及等离子体表面接枝。在多种等离子体源中，特别值得一题的是低温等离子体。低温等离子体是以低气压放电产生的电离气浙江大学硕十学位论文体，其中蕴含着丰富的活性粒子，可引起多种化学反应，其反应温度低，适于对热敏感的高分子材料。等离子体对材料表面的处理方式很灵活，使用不同的气体及挥发性的化合物，可以获得更广泛的表面化学组成，更适于生物医用材料的表面改性需要。例如采用外电极式等离子体发生器，可将二缩三( 乙二醇) 单丙烯酸酯单体进行脉冲等离子体聚合成薄膜，以聚对苯二甲酸乙二醇酯等为衬底材料，通过处理表面获得含有大量聚氧化乙烯( p e o ) 基团底薄膜，并随着等离子电源功率的提高，p e o 含量大增。对改性材料的蛋白质吸附试验表明，材料表面的血浆蛋白吸附量大幅减少，表明血液相容性提高。离子注入技术是8 0 年代末才开始应用与高分子生物材料的表面改性。早期该技术通常应用于会属材料的表面改性。其基本原理是：由离子源产生离子，通过质量分析器的磁偏转作用对离子进行选择，只使一种质量的离子通过，离子经强电场或多级电场加速后由静电透镜聚焦，利用静电扫描器扫描，轰击样品的表面，实现离子注入。特点是：准确地在材料表面预定深度注入预定剂量的高能量离子，使材料表层的化学成分、相结构和组织发生显著变化，以改变材料与生物体的相互作用。典型的例子有：利用4 0 k e v 8 0 k e v 氮离子以1 1 0 ”个c m 2 的剂量轰击高分子聚乙烯，发现其硬度提高了7 倍，可极大改善超高分子量聚乙烯一金属人工关节摩擦配付的抗磨损性能。1 3 3 3 表面沉积【7 7 , 7 8 j表面沉积方法很早就应用于工业领域，近3 0 年来才被逐步移植、借鉴到生物材料领域。表面沉积方法多种多样，主要可分为液相沉积和气相沉积两大类，以后者更为常见。气相沉积是指在真空条件下引入气态物质，参与气相反应后沉积于材料表面，主要分为物理气相沉积( p v d ) 、化学气相沉积( c v d ) 以及与等离子体技术、离子注入技术联合使用的气相沉积法等。目前，对采用气相沉积方法在金属医用生物材料表面沉积陶瓷薄膜( 如t i n 、a 1 2 0 3 、s i c 、羟基磷灰石h a ) 等已进行了比较广泛的研究。如采用离子束辅助沉积方法在钛基体上合成了h a 薄膜，薄膜的结合力较溅射沉积提高2 0 0 以上。用此法在钛表面沉积h a 薄膜后植入兔的骨内，经过7 至1 2 2 天观察，与钛相比，新骨的生长在数量上没有显著差别，但h a 表面更有利于新骨的形成。低温液相沉积技术最近才刚浙江大学硕上学位论文开始应用与沉积h a 或c a p 层的研究。在室温下，采用电共沉积方法在钛表面沉积h a ，将钛作为阴极，电解质溶液中含有硫酸钴和h a 粉末，使h a 粒子悬浮于电解液中，在两极问施加电流，钛表面会形成由钴包裹的h a 表面镀层。改变金属盐的种类可以获得不同金属和h a 共沉积的表面层。1 3 4 生物手段1 3 4 1 表面种植内皮细胞【4 4 】植入材料表面种植内皮细胞的技术，是为解决植入材料( 主要是人工血管)表面的凝血问题以及细菌粘附问题而逐步发展起来的表面改性新技术，由此也引发了材料表面生物化的改性思路。经内皮细胞化的涤纶人工血管植入体内8 周后表面无血小板粘附，而未种植内皮细胞的人工血管表面有4 4 的面积被血小板粘附。经内皮细胞化的人工血管植入体内7 个月后的总通畅率达9 6 ，而未种植内皮细胞的人工血管通畅率仅2 9 。近十年来聚合物表面内皮细胞化在国外已形成研究热点。加拿大的a b s 0 1 0 m 指出聚合物表面张力直接影响血浆蛋白的吸附和内皮细胞的附着，b o y d 还提出有孔隙的聚合物表面利于内皮细胞附着。但是直接把内皮细胞种植在材料表面不仅繁殖慢，且经过一段时间后还容易从材料表面脱落下来。因此现多在材料表面先固定上细胞粘合蛋白然后再在其上种植和培养内皮细胞。由于长期生物进化形成的保护功能，完整的内皮细胞本身便是对抗细菌粘附的最好屏障。1 3 4 2 蛋白质涂层1 4 刮材料与血液接触时首先是在材料表面吸附血浆蛋白。蛋白质吸附层的组成与构象决定了材料的血液相容性行为。当材料表面吸附层主要是纤维蛋白原或球蛋白，并且蛋白质的构象发生变化时将会激活凝血因子与血小板，导致凝血级联反应而形成血栓，而当材料表面吸附层主要是白蛋白时，可以阻止凝血的发生。k r i n s t i n s s o n 在观察葡萄球菌对各种医用材料制成的心导管的细菌粘附现象时，发现经血清处理后的心导管细菌粘附明显减少。j a n s o n 发现用含白蛋白4 5 ，免疫球蛋白1 2 ，纤维蛋白原o _ 3 的p b s 溶液涂覆多种生物材料表面，结果1 4浙江人学硕士学位论文都使细茵的枯粘附数量减少了。白蛋白在材料表面的结合状态是白蛋白可否发挥作用的关键。物理吸附法获得的白蛋白涂层结合力较差，在与血液接触中容易与提前蛋白质发生交换作用，从而使抗凝血性能逐渐下降。用共价接枝方法能使材料表面形成的自蛋白层与机体之间有很高的结合能力，而y 射线可以促进白蛋白在材料表面的共价接枝。1 3 4 3 自组装单分子层( s a m ) t 7 9 l自组装单分子层是最近1 0 年发展起来的材料表面生物化技术。在硅、玻璃、金、硅橡胶等衬底材料上可形成高度有序排列的硫烷 h s ( c h 2 ) o x l 、三氯硅烷 s i c l 3 ( c h 2 ) n x 等单分子层。这些分子的一端吸附在衬底上，另一端( 单分子层的表面) 为可改变的功能基团x ，如一c h 3 、一p 0 4 h 2 、c o o h 、一c o n h 2 、o h 或一c f 3 等官能团。这是对材料表面进行微观设计的新方法。由于能对自组装单分子层分子基团的位置和种类进行控制，因此可以在分子水平上研究各种化学基团、分子的生物相容性及机理。1 4 课题的提出和意义壳聚糖因其天然而优异的生物相容性、可降解性以及生物活性，在可吸收型生物医用植入材料领域有着广阔的应用前景，且已有较好的研究基础，在手术缝合线、术后防粘连膜领域已实现或接近实现实用化，并有逐步取代传