（材料学专业论文）高分子水凝胶修饰碳纳米管神经元探针.pdf

硕士论文高分了水凝胶修饰碳纳米管神经元探针 摘要 本文主要研究了聚7 , - - 醇二丙烯酸酯单壁碳纳米管( p e g d a s w n t s ) 水凝胶膜 层对金电极的修饰，考察了水凝胶修饰电极的电化学性能。同时，在p e g d a s w n t s 水凝胶膜层中负载地塞米松，研究了其药物释放规律。 采用共价键合法对金电极进行化学修饰，将清洁处理的金电极采用层层组装的方 法，分别经过巯乙胺和p e g d a 大分子的修饰，在金电极表面制得以乙烯基封端的分 子膜。利用接触角、x 射线光电子能谱( x p s ) 和循环伏安曲线( c v ) 的测试手段证实了 巯乙胺的自组装和m i c h a e l 加成反应的成功进行，为电极的进一步修饰提供了可能。 将化学酸化处理的s w n t s 超声分散在p e g d a 水凝胶的前驱物溶液中，用微量 注射器滴加到分子修饰的金电极表面，采用u v 紫外光聚合法制得了水凝胶修饰电 极。采用循环伏安法( c v ) 和交流阻抗谱( e i s ) 表征了水凝胶修饰电极的电化学性能， 发现s w n t s 能显著提高水凝胶修饰膜层的导电性能；并比较了共价键合法和涂渍法 制得的水凝胶修饰电极的膜层粘结强度，结果表明共价键合法优于涂渍法。 将地塞米松掺杂于p e g d a 水凝胶前驱物溶液中，p e g d a 在u v 紫外光下照射 固化过程中使药物负载在三维网络结构中，表征了水凝胶薄膜的物理化学性质，并研 究了水凝胶的药物释放规律，发现s w n t s 对地赛米松具有固定吸附的作用，延长了 地塞米松在水凝胶中的释放周期。 关键词：高分子水凝胶，碳纳米管，金电极，药物释放，生物相容性 a b s t r a c t硕 论文 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , g o l d e l e c t r o d ew a sm o d i f i e dw i t l l p o l y e t h y l e n e g l y c o l d i a c r y l a t e s i n g l e - w a l l e d c a r b o nn a n o t u b e s ( p e g d a s w n t s ) h y d r o g e lc o a t i n g e l e c t r o c h e m i c a lp r o p e r t i e so ft h eh y d r o g e l m o d i f i e de l e c t r o d ea sw e l la sm e c h a n i s m so f t h ed r u gr e l e a s ef r o mp e g d a s w n t sh y d r o g e lc o a t i n gw e r ei n v e s t i g a t e d t h eg o l ds u b s t r a t ew a sc h e m i c a l l ym o d i f i e db yc o v a l e n tb i n d i n g t h ef a b r i c a t i o nw a s p e r f o r m e di ni n - s i t ul a y e r - b y l a y e ra s s e m b l ym e t h o d f i r s tt h es u r f a c eo ft h ec l e a n e da n d a c t i v a t e dg o l ds u b s t r a t ew a sc h e m i c a l l ym o d i f i e d 谢t l lc y s t e a m i n e ，f o l l o w e db ym i c h a e l a d d i t i o nb e t w e e np e g d aa n d c y s t e a m i n e t oi n t r o d u c e p e n d a n tv i n y l s u r f a c e f u n c t i o n a l i t i e so nt h es u r f a c eo fg o l de l e c t r o d e t h es e l f - a s s e m b l yo fc y s t e a m i n ea n d m i c h a e la d d i t i o nw e r ed e m o n s t r a t e db yc o n t a c ta n g l e ，x r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y ( x p s ) a n dc y c l i cv o l t a m m e t r y ( c v ) a f t e ra c i dt r e a t m e n t , t h es h o r t e n e ds w n t sw e r ed i s p e r s e di np e g d ah y d r o g e l p r e c u r s o rm i x t u r eb y u l t r a s o n i c a t i o n t h em i x t u r ew a s s p r e a de v e n l y o n t ot h e m o l e c u l a r - m o d i f i e dg o l de l e c t r o d e 、) l ，i t ham i c r o s y r i n g e ，f o l l o w e db yu l t r a v i o l e ti r r a d i a t i o n f o rp h o t o p o l y m e r i z a t i o n t h ee l e c t r o c h e m i c a lp r o p e r t i e so ft h er e s u l t e dh y d r o g e l - m o d i f i e d e l e c t r o d ew e r ec h a r a c t e r i z e db yc y c l i cv o l t a m m e t r y ( c v ) a n de l e c t r o c h e m i c a li m p e d a n c e s p e c t r o s c o p y ( e i s ) i tw a sf o u n dt h a ts w n t s e n h a n c e dt h ec o n d u c t i v i t yo ft h eh y d r o g e l c o a t i n g f u r t h e r m o r e ，a d h e s i v es t r e n g t ho ft h eh y d r o g e lc o a t i n go nt h eh y d r o g e l - m o d i f i e d e l e c t r o d em a d eb yc o v a l e n tb i n d i n ga n dd i p c o a t i n gw a sc a r r i e do u ts e p a r a t e l y t h er e s u l t s s h o w e dt h a tc o v a l e n tb i n d i n gh a dab e t t e ra d h e s i v es t r e n g t hc o m p a r e dt od i p - c o a t i n g f o rd o p i n gd r u gi n t ot h r e e d i m e n s i o n a ln e t w o r ks t r u c t u r e ，d e x a m e t h a s o n ew a s d i s s o l v e di np e g d a h y d r o g e lp r e c u r s o rm i x t u r e ，a n dt h em i x t u r ew a sp h o t o p o l y m e r i z e d u n d e ru l t r a v i o l e ti r r a d i a t i o n t h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so ft h eh y d r o g e lc o a t i n g a sw e l la st h em e c h a n i s m so ft h ed r u gr e l e a s ef r o mt h eh y d r o g e lw e r ei n v e s t i g a t e d i tw a s f o u n dt h a ts w n t sh a ds o m es o r p t i o no nd e x a m e t h a s o n e ，p r o l o n g e dt h er e l e a s ep e r i o do f d e x a m e t h a s o n ef r o mh y d r o g e l k e yw o r d ：p o l y m e r i ch y d r o g e l ，c a r b o nn a n o t u b e s ，g o l de l e c t r o d e ，d r u gr e l e a s e ， b i o c o m p a t i b i l i t y n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：挲址 汕p 年( 月a 。日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 地丝a q 年6 月。日 硕： j 论文高分子水凝胶修饰碳纳米管神经元探针 第1 章绪论 i i 研究背景 神经元探针是连接神经组织与设备的微结构器件，能够方便、有效地记录中枢神 经系统产生的电信号，准确探测中枢神经系统的异常。用于神经科学及脑一机接口的 植入式神经元探针具有很小的覆盖区，可减少对神经的伤害，同时也使探针更接近靶 向神经，从而可提高刺激或记录信号的信噪比【lj ，有助于我们了解大脑中视觉神经、 触觉神经等感应环境的过程。一直以来，神经信号都是由金属丝探针来记录的，但近 年来硅基探针也逐渐用于记录神经活动信号。目前应用较为普遍的硅基探针包括 m i c h i g a n 探针和u t a h 探针阵列1 2 】。 由于神经元探针的材质大多是镀铱或镀金的硅基材料，金属界面的粘接性能较 差，无法与神经组织产生紧密、牢固的接触；而且裸电极的比表面积较小、基质材料 的生物相容性较差，植入中枢神经系统后，电极的电信号传输能力逐渐下降【3 】。此外， 神经元探针材料和中枢神经组织的机械性能存在巨大的差别( 神经元探针的模量为 1 7 2g p a ，中枢神经组织的模量为1 0 0k p a ) ，探针会对组织产生创伤，导致伤口的周 围逐渐结痂，即在探针周围形成一层隔离层，阻断中枢神经组织与电极之间的电信号 传输【4 j ，而使电极不能长期使用。因此，需要在神经元探针和神经组织之间建立一个 有机械模量梯度的、柔软疏松的中间层。 1 2 聚合物碳纳米管复合水凝胶膜层电极一组织界面 1 2 1 碳纳米管的结构与性能 碳纳米管( c a r b o nn a n o t u b e ，c n t ) ，又名巴基管，是由石墨片层卷曲的空心圆柱， 两端由富勒烯半球封端而成。按片层石墨的层数分类，可分为单壁碳纳米管( s w n t ) 和多壁碳纳米管( m w n t ) 。单壁碳纳米管由单层石墨片层卷曲而成；多壁碳纳米管是 由多层纳米级同心石墨圆柱组成，类似于树的年轮( 层与层之间的距离约为3 4a ) 5 , 6 1 。 碳纳米管是一种具有特殊结构( 径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级) 的一维量 子材料，因此纳米管易于成束并相互缠结在一起【7 1 。科学家猜测碳纳米管可能是 c 1 0 0 0 0 0 0 结构的单一元素聚合物【8 】。碳纳米管的制备方法包括燃烧火焰法，化学气相 沉积法，电弧放电法，激光蒸发法1 6 j 。 由于碳纳米管可看成是石墨卷曲而成的圆柱，因此具有石墨的本征特性，如耐热、 耐腐蚀、耐热冲击和自润滑性等一系列综合性能。但是碳纳米管的尺度、结构、拓扑 学因素和碳原子相结合又赋予了碳纳米管极为独特并具有广阔应用前景的性能，如具 第1 章绪论 硕上论文 有大的比表面积和高的机械强度，热导率是目前导热性能最好的金刚石的2 倍 9 1 ，电 流传输能力是金属铜线的1 0 0 0 倍【l0 1 ，同时还有独特的金属或半导体导电特性，在晶 体管1 1 1 、分子电子器件【1 2 】、导电高强复合材料f 1 3 】、催化剂载体【1 4 1 、平板显示器【1 5 】、 传感器【l6 】等领域有着广泛的应用前景。 1 2 2 水凝胶的结构与性能 凝胶是一种常见的高分子材料，由三维网络结构的高分子和填充在高分子链段空 隙之间的介质构成，其网络由大分子主链及含有亲水性( 极性) 基团和疏水性基团，或 有解离型基团的侧链构成。介质可以是气体或液体，以水为分散介质的凝胶称为水凝 胶，自然界中绝大多数的动物、植物中存在的天然凝胶以及多数合成高分子凝胶均属 于水凝胶。 凡是水溶性或亲水性的高分子，通过一定的化学交联或物理交联，都可以形成水 凝胶。根据水凝胶网络结构的成键性能，高分子水凝胶可分为两类，一类是以非共价 键结合、分子缠绕、氢键等作用形成的物理交联水凝胶，是非永久性的，通过加热凝 胶可转变为溶液，被称为假凝胶或热可逆凝胶；另一类是以共价键作用形成的化学交 联水凝胶，是永久性的，又称为真凝胶【l 。水凝胶中的水分子通常呈现三种状态，即 自由水，冷冻结合水和非冷冻结合水【l 引。水分子与网络结构的相互作用、凝胶的交联 网络结构与水凝胶的物理化学性质有着密切的关系，如水凝胶的力学强度几乎完全取 决于网络结构的交联密度，溶胀行为则与力学性能有关。 聚乙二醇二丙烯酸酯( p e g d a ) 是聚7 , - - 醇( p e g ) 的一类衍生物( 末端通过丙烯酸 封端1 ，可改善生物相容性、延长药物周期、提高生物活性、降低免疫原性等，分子 量 4 0 0d a 时无毒性，经由肾脏便可快速排出体外，并且聚合物骨架在生物体内不 会发生降解【1 9 】。由p e g d a 制得的水凝胶具有较高的强度，良好的加工性和防污性， 对温度和p h 的稳定性【1 。7 1 ，其化学性质和表面形貌类似于细胞外基质，因而广泛应用 于生物医学领域，如再生医学2 0 1 ，细胞包埋【2 1 1 ，创伤修复捌等。 1 2 3 聚合物碳纳米管复合水凝胶的制备 虽然水凝胶具有很好的生物相容性，但由于其导电性能较差，在溶胀状态下强度 较低，限制了其在生物电极方面的应用。同时，碳纳米管可能存在生物毒性，不利于 生物方面的应用。故可考虑通过在交联的高度亲水聚合物网络中掺入碳纳米管，利用 水凝胶对碳纳米管进行包埋，避免了碳纳米管与生物组织的直接接触，又可以提高水 凝胶的导电性1 2 3 】，制得仿生导电性水凝胶。据报道，在聚合物基体中添加1w t 5 w t 的碳纳米管可显著改善聚合物的导电性【2 4 1 ，而高度取向的碳纳米管只需添加0 1 w t ，即可显著提高基体的机械性能和导电性能1 2 5 1 。 在水凝胶中掺杂碳纳米管可采取两种方法：( 1 ) 共价键合法f 2 6 1 ，即将酸化处理的 2 硕上论文高分子水凝胶修饰碳纳米管神经冗探针 s w n t 先进行化学修饰接上宫能团以使其可参与水凝胶的聚合网络，再与水凝胶大分 子单体混合；( 2 ) 机械混合法1 27 1 ，即将混酸处理的碳纳米管直接与水凝胶大分子单体 混合。两者的区别在于前者制得的材料中碳纳米管与水凝胶之间的作用力较大，故机 械强度也高，碳纳米管不易从网络中扩散出去。对于配制好的聚合物碳纳米管水凝 胶前驱物溶液，其固化过程主要取决于水凝胶大分子单体的性质。物理水凝胶可采用 氢键、静电耦合、配位键交联等：化学水凝胶可采用化学反应法、光聚合、辐射聚合、 等离子体引发聚合、超声聚合【2 8 】等。 紫外光聚合法作为制备水凝胶的一种有效而温和的方法，与传统的物理化学方法 相比，具有很多的优点：反应条件温和，副产物少，无毒性催化剂和引发剂，加工过 程易于控制。因此，近年来主要以光固化方法作为生物医学材料的制各方法【2 9 】。通过 紫外光引发自由基聚合而制得的p e g 水凝胶具有较高的空间一致性1 3 0 ，但是紫外光 照射反应具有选择性，只有生色团才能吸收具有一定能量的紫外射线。聚合物中不具 光化学活性基团则不会吸收紫外线，也就不会有光化学作用的【3 。用于制备水凝胶的 光引发体系主要有两种：( 1 ) 亲水性聚合物的肉桂酸、香豆素、葸等感光基团的光二 聚作用【3 2 1 ；( 2 ) 紫外光或可见光引发聚合物的丙烯酸基团自由基聚合【3 3 1 。 1 3 水凝胶修饰电极的制备 1 3 1 涂渍法 涂渍法，即将聚合物溶解于去离子水3 4 ，3 5 】中，用微量进样器将水凝胶的前驱物溶 液加到清洁处理的电极表面，在空气中静置干燥以使溶剂自然挥发成膜【3 4 3 6 。3 7 】或冷冻 成膜1 3 引，电极在使用前需在测试溶液中充分水合溶胀。这种方法操作简单、直接，膜 厚均一可控，但存在的问题是水凝胶膜层与电极表面的粘接力不强，在进行电化学等 表征时，由于水凝胶发生溶胀、尺寸变大，使水凝胶在电极的表面发生滑移、脱落等， 从而无法表征水凝胶修饰后电极的真实电化学性能，电极的重现性不是很好。采用这 种方法时，电极表面通常只是进行清洁处理，一般的方法是先用氧化铝抛光液对电极 的表面进行打磨抛光，直至镜面，然后超声水沈处理【3 7 1 ，以除掉电极表面物理吸附 的氧化铝等污染物。为了避免电极表面水凝胶修饰层的脱落，可以采用黏着促进剂、 超薄水凝胶或者微凝胶等来进一步修饰水凝胶电极【3 8 】。 1 3 2 共价键合法 共价键合法适用于化学凝胶，但制备手续较繁琐，需要对电极进行活化预处理。 通常是采用自组装的方法先在金、氧化铟锡等金属电极，或者硅等非金属电极的表面 形成分子自组装膜，对电极表面进行修饰以引入活性官能团( 如一n h 2 【3 9 1 、- - o h ! 删、 - - c o o h 4 1 】等) ，然后以此作为反应活性点，采用硅烷化 4 0 l 、m i c h a e l 加成【4 1 】或偶联反 3 第1 章绪论硕上论文 应3 卅等处理方法再引入所需的活泼基团( 如一c = c 【3 9 舶】等) ，作为水凝胶对电极修饰的 反应活性点，提高水凝胶膜层与电极之间的粘接性，如图1 1 所示。对金电极而言， 一般的过程是将表面清洁处理和电活化后的电极在待组装分子的溶液中浸渍一定时 间，取出后清洗干净以除去物理吸附的待组装分子，得到自组装分子膜修饰的电极。 然后将水凝胶前驱物溶液滴加或旋涂到电极表面，根据聚合物的性质采用辐射法 ( u v ) 4 2 - 4 3 】或化学法( 乳液法) 等方法制备电极表面的水凝胶修饰层。研究结果表明水凝 胶修饰层与电极之间的界面粘结强度得到提高m 4 5 1 ，共价键合的水凝胶能很好地附着 于电极的表面。 1 3 3 电化学法 葬喜s 菘c h 2 c 嚣h 2 0 h ( c h 3 0 ) 3 s i c h 2 b - n h 2 葬s l + c 岍 葬阱c h 毋n h t - c h 2 c h 2 0 松h 2 c h - c h 2 翠 黟一一嬲鼍 b i o a c t i v eh y d r o g e ll a y e r so r l m i c r o d i s ke i e c t r o d ea r r a y s 图1 1 微圆盘电极阵列的表面功能化【3 9 1 电化学法包括电化学聚合法【删和电化学沉积法【4 。电化学聚合法操作简单，是 在固体表面制备水凝胶薄膜常用的方法，但需要在电解液中进行，使单体发生自由基 聚合而形成水凝胶网络结构，其它条件视实际情况而赳4 6 1 。电极先进行电活化处理， 然后置于单体溶液中，采用三电极体系或双电极体系，通过电引发使单体在电极表面 发生聚合，生成水凝胶薄膜。电化学沉积法需要在电极表面溶液中形成p h 梯度1 4 7 l ， 然后对电极表面施加电压，改变局部质子浓度，进而引起高分子材料的缩聚或沉淀反 应，如图1 2 所示。与传统的方法相比，电化学沉积法简单，适用于选择性沉积厚度 可控的薄膜，但是此类聚合反应属非自由基聚合过程，凝胶薄膜的种类受到一定的限 制，并且p h 的梯度变化不利于生物分子的活性保持。采用此法制备修饰电极时，需 要将电极打磨抛光至镜面后进行超声清洗处理，然后置于电活性单体的电解质溶液 中，采用恒电位或恒电流在阴极电极表面进行沉积，即可制备得到水凝胶薄膜修饰的 4 = 啦 o 一 。 飞 堡! ：丝兰妾坌王查墼壁竖塑壁垫鲞量壁丝! ! 型盐 电极，但所得水凝胶薄膜的厚度受所加电压、聚合物冰度和沉积时间的影响【删 h ： 置鬻墨 碜 p hg a “ i t l s ：u d 日 图】2 掺杂纳米颗粒和酶的壳聚糖水凝胶在阴极电极表面的电沉积圳 1 3 4 层层组装法 层层组装法主要是用于制各超薄水凝胶薄膜，厚度为纳米量级的水凝胶薄膜不会 对电极的机械强度产生影响 4 9 1 。固体表面的水凝胶薄膜可由表面接枝聚台、电聚台等 方法制得，但是部很难控制薄膜达到纳米量级的厚度及分予水平的化学结构。层层组 装是通过非共价键作用( 静电作用、电荷转移作用、氢键、范德华力作用等】或化学反 应( 比如酰胺化、酯化等) 在电极表面制各薄膜。清洁的电极交替浸泡于几种不同的高 分子溶液中进行组装，多次重复后即可得到超薄水凝胶薄膜修饰的电板1 4 9 - 5 ”。 1 4 水凝胶修饰电极的应用 i a 1 神经元电极 神经元电极是构建具有高灵敏性和生物相容性的神经一电界面是脑一机接口研 究的基石，但它在临床上的长期应用还受到一系列的限制，如实现电极与中枢神经组 织的模量匹配、提高神经元细胞的附着和轴突树突的发育、增加神经元电极与神经 轴突日j 的接触和渗透，实现营养物质供给和相关炎症治疗等多功能化防l 免疫反应 和愈伤组织导致的信号质量衰退等方面仍然面临着问题。因此，笈展软凝聚态生物活 性和电活性电极一组织界面显得十分重要w 。 水凝胶作为生物相容性材料，具有类似生物组织的柔软性p “，力学模盈与生物体 脑组织的力学模量相近，从而可改善电极与组织间的相互作用m l 。仿生材料一水凝 胶可改善生物电极在体内的生物相容性，延长电极的植入期限1 3 9 1 ，减少伤疤组织的形 成，降低所需的电流，具有较好的灵敏度和检出极限1 4 。虽然水凝胶克服了当前传感 器生物相容性和神经一电极界面的局限，扩大了医疗器件、生物传感器的应用领域。 但需要注意的是，水凝胶膜层可能会增加电极与靶向神经的距离增加等效回路的溶 液阻抗以及电极的阻抗，降低神经一电极界面的弥敞频率，这些都会降低神经信号的 第1 章绪论 硕士论文 强度，从而影响到电极的性能【3 9 5 3 5 4 】。目前降低电极的初始阻抗的措施有：( 1 ) 电极尺 寸、形状、基底材料等的最优化；( 2 ) 在电极表面沉积金属或金属氧化物，同时施加 偏压脉冲以降低电极的初始阻抗；( 3 ) 采用导电聚合物和水凝胶制得的混合膜以大幅 降低电极阻抗。利用电化学聚合的方法在水凝胶中掺入导电聚合物是最常见的方法 1 5 5 - 5 6 】，由于导电聚合物具有很大的表面积，故可有效促进神经元的信号传输，而阻抗 可通过聚合时间来控制【5 m 引。但是不容易精确控制聚合物的相对量及空间分布，并且 导电聚合物与电极之间仅靠静电力结合，当受到机械力或周围电解质的作用时可能会 发生脱落【5 3 1 。 此外，水凝胶具有一定的药物缓释性能，通过在水凝胶修饰层内掺杂生物药物或 神经生长因子，通过消炎药的全身给药或局部给药可减少电极植入生物体内后生物组 织引起的炎症，或对细胞释放治疗性药物，刺激神经元细胞在电极上的生长和分化【5 9 1 ， 有效改善了电极的生物相容性。水凝胶具有孔状结构，附着在水凝胶表面的神经元细 胞的树突轴突可伸入到水凝胶膜层内【6 0 - 6 2 ，从而改善了神经一电极界面，降低刺激 阈，便于电极实时监测、记录和刺激神经元的活动。 1 4 2 酶修饰电极 以生物酶作为分子识别器件的电化学生物传感器称为酶修饰电极。设计制备酶电 极需要注意以下几点：分析物的传输；快速电子转移动力学；酶的稳定性；酶与宿主 蛋白的隔离；以及生物相容性1 3 酬。水凝胶具有很好的生物相容性，性能类似于细胞外 基质，水凝胶内特殊的微环境可保持酶的二级结构和生物活性【6 3 引j ，同时电极表面水 凝胶的多孔结构便于被分析物的扩散【6 踊6 1 ，故可在水凝胶内部固定酶来制备酶修饰电 极。通过在前驱物溶液中添加戊二醛等物质，改变共聚单体的组成及单体与交联剂浓 度比，可调节水凝胶的交联密度，使生物酶处于不能脱离的状态，使酶的固定化更牢 固，调控固定化过程及载体的p h ，改善酶的微环境。生物活性酶通常是与水凝胶前 驱物溶液混合，然后在电极表面通过凝胶化聚合即可，所得的薄膜状酶电极具有很好 的稳定性和可重复性，对分析物具有很好的催化还原能力【6 3 划】。 用于测定葡萄糖的水凝胶一酶修饰电极是最为广泛研究和使用的电化学传感器 1 6 7 。7 1 】，其构置过程见图1 3 。葡萄糖氧化酶具有很好的稳定性，在u v 照射的条件下 也能保持活性1 67 。在玻碳电极的表面采用壳聚糖水凝胶固定葡萄糖氧化酶，所得的水 凝胶一酶修饰电极对葡萄糖的响应时间短，检出极限低，灵敏度高【6 引。氧化还原水凝 胶能调整葡萄糖氧化酶与电极之间的电子转移1 6 9 - 7 0 l ，用氧化还原水凝胶固定葡萄糖氧 化酶制备得到的葡萄糖微电极能显著提高响应电流的密度、灵敏度，这是由于电子在 氧化还原水凝胶中的径向扩散引起的【7 。此外，在电极表面固定葡萄糖氧化酶较好的 方法是，采用电解还原法先在电极表面接枝上芳基重氮盐，然后共价键合水凝胶用于 6 堡土鱼塞 壹坌量查墼墼壁塑熊垫堂堂塑丝i 型盐 固定葡萄糖氧化酶f 训。 一 a d d p e d ”p e 0 h y “g d o h l c 。i l 】岫m g 利hg 啦啪g p e g , o o 托c 啪曲d m o _ p h 删a t o t 柚d s h m e u vh 出l t o m a k ea h y d z o g e ! 圈】3 葡萄糖传感器的构置示意削。删 i p e t 传蓐器 口h 传礤嚣 3 8 , 7 3 】主要是基于p h 响应型水凝胶( 如聚甲基丙烯酸羟乙酯水凝胶、 聚丙烯酸等含有弱酸或弱碱官能团的水凝胶) 的，可以实现水凝胶物理特征的变化转 变为电信号，主要有以下几种类型：折射式传感器、光栅传感器、电导型传感器、石 英震荡微天平传感器、磁致弹性传感器、微悬臂粱传感器、弯扳式传感器等口q 。工作 的原理是d h 值变化引起的溶胀导致柔性板的弯曲。对于电容式传感器而言，可以观 察到电容的变化。而对于电阻电桥传感器而言，由于承凝胶薄膜发生偏转，相应的薄 膜应力也会改变电桥电阻，从而改变输出电压唧j 。 p h 传感器适用的p h 范围应该在所选择水凝腔的相转变p h 范围之内，响应时日j 受缓冲分子扩散传输所需时间的影响，而缓冲分子的扩散将引起水凝胶发生质子化或 去质子化1 7 ”。p h 传感器的灵敏度最高可达1 0 。5p h 单位，数理统计后的数据表明其平 均测量精度可达1 0 0 1 0 3p h 单位并且可以进行实时监测。p h 传感器的优点在于 适用水凝胶种类的多样化，这为传感器的特殊应用提供了恰当的解决方法”。 1 5 本文研究思路和内容 本文的研究思路是以聚乙二醇二丙烯酸酯( p e g d a ) 为原料通过掺杂强酸超声处 理过的单壁碳纳米管( s w n t s ) 。从而形成稳定的分散体系用于制各仿生导电水凝睦薄 膜以改善生物电极的表面力学模量提高其与生物细胞的相容性，同时在水凝胶中 负载药物以消除水凝胶修饰电极对生物细胞产生的炎症影响。本文主要采用u v 光 聚合法用于制备水凝胶修饰电极，着重研究了水凝胶修饰电极的电性能，以及水凝胶 膜层的释药性能。 本文的主要内容及结构如下： 第一章：介绍水凝胶的结构与性能、聚合物，碳纳米管复合水凝胶的制各、以及 水凝胶修饰电板的制备方法和应用，井提出本文的研究思路和研究内容。 一玉 烹筘 一旷小一 第l 章绪论 硕1 二论文 第二章：采用层层组装的方法对裸金电极进行表面修饰，利用c v 和e i s 电化学 表征、x p s 谱学测定、润湿性测定证实了巯乙胺和p e g d a 分子层对裸金电极表面的 成功修饰。 第三章：研究利用共价键合法，采用u v 光聚合法制备水凝胶修饰金电极，采用 c v 、e i s 考察了水凝胶修饰电极的电化学性能，以及碳纳米管对水凝胶电性能的影 响，同时还测定了水凝胶修饰层的粘结性能。 第四章：研究水凝胶的药物释放规律，通过红外、显微镜等手段表征水凝胶的结 构与性能，并对地塞米松释放的机理进行了初步探讨。 8 硕：t 论文 商分子水凝胶修饰碳纳米管神经元探针 第2 章分子修饰金电极的制备 2 1 理论背景 金电极的表面很光滑，若将高分子水凝胶直接附在金电极表面，两者仅存在物理 吸附。在进行电化学表征时，由于水分子大量进入水凝胶的三维网络，水凝胶发生溶 胀而使其尺寸变大，导致水凝胶在金电极表面发生滑移、脱落，从而无法表征到水凝 胶修饰后电极的电化学性能。因此需要对金电极进行修饰，使其与水凝胶之间除了增 大物理吸附作用外，还能够发生化学吸附作用。此外，金电极很稳定，在空气中不易 氧化，通过自组装等系列方法在电极表面形成分子膜，同时分子膜的末端基团( 如 - - c o o h 、一n h 2 、- - o h 等活泼基团) 为金电极的进一步修饰提供了反应活性点。在 本章的研究中，我们采用层层组装的方法，在金电极表面形成了以- - c h = c h 2 为末端 官能团的分子膜，- - c h = c h 2 可参与到后续p e g d a 水凝胶前驱物溶液在电极表面的 光聚合过程，从而使p e g d a 水凝胶通过化学键键合到金电极表面。 由于金电极表面的干净程度直接影响到分子膜的质量，为了组装出缺陷少、有序 性高的分子膜，在组装前需要对电极的表面进行清洁处理，以除去表面吸附的有机物。 一般的方法是将金电极在“p i r a n h a ”溶液中浸泡2m i n 3 0m i n ，以除去表面的杂质， 然后依次用去离子水和待组装溶液的溶剂冲洗，用去离子水和乙醇冲洗干净，最后将 其浸入待组装液进行组装【7 4 , 7 5 j 。 在金电极表面进行硫醇类化合物的自组装及进一步修饰的方法通常有以下两种 【_ 7 6 】：( 1 ) 硫醇类化合物的离位功能化及其在电极表面的吸附。采用这种方法制备的化 学修饰电极存在一些缺陷，多步合成后的硫醇类大分子由于空间位阻效应在电极表面 只能形成疏松的s a m s ，电极表面覆盖不完全。( 2 ) 电极表面硫醇类化合物的原位功能 化。采用这种方法制备的化学修饰电极具有较高的选择性和灵敏性，较低的检出极限。 相比而言，原位功能化的方法更好。 本章采用巯乙胺的原位功能化，首先用巯乙胺( c y s t e a m i n e ，简称c y s ) 修饰金电 极，通过巯基与金电极之间产生强烈的吸附，形成稳定致密、高度有序的自组装单分 子膜，引入胺基。然后采用m i c h a e l 加成反应【7 7 1 ，以n a o h 作为催化剂，利用亲核试 剂巯乙胺的氨基( - - n h z ) 与口，一不饱和羰基化合物p e g d a 的乙烯基( 一 c h = c h z ) 进行共轭加成反应。m i c h a e l 加成反应溶液的最佳p h 值应为9 ：当p h 9 时，丙烯酸酯类聚合物p e g d a 会 发生水解反应。此外，室温下m i c h a e l 加成反应的时间也应控制适当。s t e v e npa 等 1 7 s 】发现，2 5 下p e g d a 与聚( 2 - 氨乙基一异丁烯酸) 的m i c h a e l 加成反应的时间不 能过长，超过2h 后，产物的分子量反而降低，最后只能得到小分子量的聚合物链段， q 第2 章分子修饰金电极的制备硕士论文 多分散性较低。这是因为29 0 的胺基仍未发生反应，水合后显碱性，会催化p e g d a 的酯基发生水解。因此，本章研究中，室温下m i c h a e l 加成反应的时间取2h 。 2 2 实验部分 2 2 1 原料与仪器设备 曲药品 p e g d am n7 0 0 s h c h 2 c h 2 n h 2 9 5 无水乙醇 9 9 7 h 2 0 2 3 0 浓h 2 s 0 49 8 k a f e ( c n ) 6 9 9 5 k 4 f e ( c n ) 6 9 9 5 k c l9 9 5 n a o h 9 6 0 b ) 仪器 b s2 2 4 s 电子天平 c h i - - 6 6 0 b 电化学工作站 饱和甘汞电极 镀金电极 k q - 2 5 0 超声清洗器 s l 2 0 0 a 润湿角测定仪 p h l 5 3 0 0x 射线光电子能谱仪 2 2 2 实验步骤 s i g m a - - a l d r i c h s i g m a 国药集团化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 国药集团化学试剂有限公司 汕头市西陇化工厂有限公司 汕头市西陇化工厂有限公司 上海久亿化学试剂有限公司 汕头市西陇化工厂有限公司 赛多利斯科学仪器( 北京) 有限公司 上海辰华仪器公司 江苏姜堰市华扬水准仪器厂 s i ( 10 0 ) 上磁控溅射 昆山超声仪器有限公司 上海梭伦信息科技有限公司 美国p e r k i n e l m e r 公司 2 2 2 1 金电极的化学修饰 1 金电极的预处理 镀金电极用乙醇溶液( c 2 h 5 0 h ：h 2 0 = l ：1 ) 和去离子水清洗电极表面，分别超声 5m i n ，然后依次用去离子水、无水乙醇和去离子水充分洗净，分别超声5m i n 。接着 将金电极置于“p i r a n h a 溶液( 浓h 2 s 0 4 ：h 2 0 2 = 3 ：1 ) 中浸泡2m i n ，再依次使用无 水乙醇、去离子水冲洗，分别超声处理5m i n 。 2 金电极的电化学活化 采用标准的三电极系统对表面清洁处理的镀金电极进行电活化。以清洗干净的金 电极为工作电极，铂丝电极为对电极，饱和甘汞电极( s c e ) 为参比电极，以含有0 0 5m 1 0 墅j ：堡塞受坌王查墼些竖堕壁壁鲞笪苎丝丝型盐 h 2 s 0 4 作为电解质溶液，使用前用n 2 起泡5 r a i n ，除去溶解氧，扫描电位范围为一05 v 1 5v ( 文中所有电极的电位均相对于s c e ) ，扫描速率为5 0m v s ，反复扫描直至 获得重复性高的扫描曲线。实验在室温下进行，金电极在使用前需经去离子水漂洗， 高纯度n z 吹干。 3 金电极表面的层层组装 a u - - c y s 的制备：将经过电化学活化的镀金电极用无水乙醇漂洗，吹干后快速浸 泡于n 2 饱和的纯巯乙胺( 1 t ) 乙醇溶液中，室温下避光浸泡8h ，得到胺基s a m 修 饰电极，记为a u - - c y s 。 a u c y s p e g d a 的制各：将a u - - c y s 电极浸泡在1 0v v 的p e g d a 溶液中， 以n a o h 作为m i c h a e l 加成的催化剂，浓度为1 0 0m m ，室温下避光振荡浸泡2h ，得 到p e g d a 大分子修饰的电极记为a u - - c y s - - p e g d a 。取出洗净后，备用。 图2i 金电撮嵌面的层层纽装示意图 2 222 金电极的接触角表征 试样电极在使用前需经去离子水漂洗，高纯度n 2 吹干，然后置于s l 2 0 0 系列润 湿角测定仪的样品台上进行静态接触角测试，测试条件：温度为2 3 2 ，湿度 为5 0 5 ，la r m 。采用悬滴法，用微量进样器把约2 此超纯水滴在试样电极的 表面，在空气中静置平街lr a i n ，待固、液、气三相交界处三个界面张力平衡后进行 测试。采用c a s t 20 软件程序按照8 乜法( 量高法) 分析所测的静态接触角值。对每个 试样电极在3 个分离点进行平行实验，结果以平均值标准差表示。 飞釜 一盼一 第2 章分子修饰金电极的制各 硕上论文 2 2 2 3 金电极的x p s 表征 试样电极：a u c y s 和a u c y s p e g d a 分别进行x p s 表征，用以分析镀金电 极在不同阶段修饰后表面的化学组成。测试在p h l 5 3 0 0x 射线光电子能谱仪上进行， 以m gk a ( h v = 1 2 5 3 6e v ) 为激发源，功率为2 4 0w 。 2 2 2 4 金电极的电化学表征 使用传统三电极系统进行化学修饰金电极的循环伏安( c v ) 和交流阻抗( e i s ) 测 试，以试样电极为工作电极，铂电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极。实验在室 温下进行，以含有0 1mk c i 的lm mk 4 f e ( c n ) 6 和1m mk 3 f e ( c n ) 6 的混合溶液作为 电解液，电位范围为一0 4v 0 8v ，扫描速率为5 0m v s 。使用前用n 2 起泡5m i n ， 以除去电解液中的溶解氧。 2 3 结果表征与分析 2 3 1 接触角表征分析 润湿是指在固体表面上一种液体取代另一种与之不相混溶的流体( 气体或另一液 体) 的过程。润湿角是分子修饰电极表面的重要宏观性质之一，它取决于界面自由能， 反映相界面分子间作用力的强弱，可用接触角来定量表示，它是液气界面与固体表 面之间( 包括液体相部分) 的夹角。因此，可根据试样表面润湿性的变化，推测出试样 表面的分子层结构。 如图2 2 所示，同一溶剂( 超纯水) 在不同试样电极表面具有不同的形状，即呈现 不同的接触角，反映了不同的相界面分子间作用力。由于光滑固体表面的润湿性仅取 决于表面最外层几个a 的结构和组成 7 9 1 ，故接触角对分子链末端基团的性质变化非 常敏感。对于裸金电极( a ) ，经过表面清洁处理后，由于金的亲水性相对较差，故水不 能很好在金电极表面铺展；巯乙胺通过自组装在金电极表面形成单分子层后，分子链 最外端的- - n h 2 基团展现了很好的亲水性，通过水合作用提高了水分子在金电极表面 的铺展性；单分子膜金电极进一步用p e g d a 大分子修饰后，相界面分子间的作用力 随即发生了变化。虽然p g e d a 大分子末端乙烯基属于烷烃类，呈疏水性，但由于 p e g d a 大分子链段的无规运动，使亲水性较好的p e g 重复单元一c h 2 一c h 2 一o 一 暴露在外端，改善了水分子在电极表面的铺展性。此外，可能由于p e g d a 大分子的 空间位阻效应，巯乙胺的一n h 2 没有完全与p e g d a 大分子反应，仍可暴露一部分的 - - n h 2 在外端，故a u c y s p e g d a 电极( c ) 的亲水性介于裸a u ( a ) ，a u - - c y s ( b ) 之 间。 1 2 墅! ：堡兰垒盐z 查墼墼些堕壁塑墨兰苎丝z e 芝丛 a l b ll c ) 凹2 2 试样屯极的静态接触角洲嚣幽片：a u ( 劬，a u c y s ( b ) 和a u - - c y s - - p e g d a ( c ) 采用0 2 法对c c d 采集的接触角图片进行拟合分析，所得的接触角数据如表2 1 。 测试所用的液滴体积为2 儿，故可忽略地心引力对水滴形状的影响，认为水滴为标 准圆的一部分唧i 。如图23 所示，将滴满足要求的液滴滴在固体表面上，出于液体 本身的表面张力和固体的表面自由能的作用，液体会趋向于形成一个球冠。分析液滴 球冠的直径( 2 ，) 和球冠的高度( ) ，就可用如下计算公式计算出接触角目的值： t 柚函= b r 口= 2 吼= 2 x w , b - 1 ( h r ) 其中：口为接触角；h 为液滴球冠的高；r 为液滴球冠底端圆的半径。直径( 2 一和球冠 的高度佣，我们可以通过分析影像侧视图中左右两点之间的宽度和弧形的高度得到。 酗2 30 2 法计算接触角的原理 表2i 不同化学修饰电极的接触角 生堡! ! ! 二! 坐! ! 二! 坐二! ! ! 坠 接触角( 。) 4 98 0 23 0 3 03 0 71 64 13 8 52 6 2 3 2x p s 表征及分析 电子能谱分析是一种研究物质表层元索组成与离子