PLLA膜基质表面(PEIBSA)n层层静电组装行为及性能研究

1、LOGOPLLA膜基质表面膜基质表面(PEI/BSA)n层层层静电组装行为及性能研究层静电组装行为及性能研究Fabrication and Characterization of Layer-by-Layer Electrostatic Self-Assembly of (PEI/BSA)n on the PLLA Substrates肖琳琳肖琳琳 指导老师：全大萍指导老师：全大萍 Company LogoPLLA膜基质表面膜基质表面(PEI/BSA)n层层静电组装行为及性能研究层层静电组装行为及性能研究引引 言言1实实 验验2结结 论论3致致 谢谢4Company Logo1. 1. 引引

2、言言v 生物医学工程（Biomedical Engineering，BME）是一门集生物学医学和工程学于一体的边缘交叉学科，生物医学工程的发展不仅加速了生物学和医学的现代化，也促使了材料科学的新进展。v 生物材料（Biomaterial），又称为生物医用材料（Biomedical Material）。美国国家卫生研究所（National Institute of Health Consensus Development Conference）将其定义为“能作为一个系统的整体或部分使用一段时间，达到治疗、增加或替换身体的一些组织、器官并恢复功能目的的任何物质或物质的组合，它可以是天然的或是人工合

3、成的”。Company Logo1. 1. 引引 言言血液相容性（Blood-Compatibility）是指材料与血液接触后，不引起血浆蛋白的变性，不破坏血液的有效成分，不导致血液的凝固和血栓的形成。 良好的生物相容性良好的生物相容性是任何生物材料是任何生物材料都必须遵守的最高准则。都必须遵守的最高准则。 组织相容性（Tissue-Compatibility）是指材料与活体组织及体液接触后，不引起细胞组织的功能下降，组织不发生炎症、癌变以及排异反应等。Company Logo1. 1. 引引 言言天然高分子生物材料天然高分子生物材料 金属和合金金属和合金 陶陶 瓷瓷 生物高分子材料生物高分子

4、材料天然无机生物材料天然无机生物材料 生物材料生物材料 Company Logo聚乳酸（聚乳酸（PLA ）真正的生物塑料，无毒，具有良好的生物相容性，可生物分解吸收，已被美国食品医药局（FDA）批准使用，是目前最有前途的合成高分子生物材料之一。 表面改性表面改性低细胞亲和性成为制约PLLA作为理想组织工程支架材料的主要障碍之一。材料与生物体的相互作用主要集中在界面，必须对其进行表面改性。左旋聚乳酸左旋聚乳酸（PLLA ）结构规则，其降解产物乳酸在自然状态下主要存在于体内各器官中，较易由合成得到。HOCH3COOHHOHCH3HOOCHL-LAD-LAOOOOCH3HHH3COOOOHCH3H3

5、CHOOOOCH3HH3CHLLADLAMLA1. 1. 引引 言言Company Logo1. 1. 引引 言言材料表面的亲疏水性材料表面的亲疏水性 材料表面的化学结构材料表面的化学结构 材料表面的拓扑结构材料表面的拓扑结构 材料表面的活性因子材料表面的活性因子 材料表面的电荷状况材料表面的电荷状况 影响高分子影响高分子材料相容性材料相容性的表面性质的表面性质Company Logo1. 1. 引引 言言 Company Logo1. 1. 引引 言言v 层层自组装技术（Layer-by-Layer Self-Assemble Technique，L-b-L） 基于聚电解质阴阳离子之间电荷相

6、互作用的一种超分子组装技术，该技术的驱动力不局限于静电相互作用，也可以是氢键、电荷转移和疏水作用力等，多种作用的协同效应能够大大提高膜的稳定性。 1 2 3 4制备条件温和，可在常温水溶液中进行，能保持生物分子生物活性的天然构象。 工艺简单，通过简单的交替浸涂即可实现材料表面纳米、亚微米尺度的有规膜层。 适用范围广，组装原料可以是蛋白质、DNA等带电荷的天然生物分子，也可以是合成的聚电解质 。适用基体材料多，对基体材料体型结构适应力强 。优优点点Company Logo1. 1. 引引 言言Figure 1 层层静电自组装过程示意图 Company Logo1. 1. 引引 言言一，利用PEI

7、对PLLA表面进行大分子胺解活化，引入电荷，实现层层静电自组装过程；二，由PEI引入氨阳离子，能够有效地增加表层的亲水性，提高与蛋白质肽链官能团的相互作用。从多角度来促进细胞的生长与增殖；三，利用BSA可以形成生物惰性表面的性质，抑制凝血，增强材料的血液相容性。v 本文目的本文目的：以BSA为模型蛋白，研究阳离子聚合物PEI与BSA在PLLA基质膜表面组装的过程（组装过程如Figure 2所示） ，实现对PLLA的表面改性。同时，为进一步实现在材料表面组装质粒DNA，实现原位基因控制释放并转染细胞提供科学依据。Figure 2 PLLA表面静电自组装（PEI/BSA）n示意图 Company

8、Logo1. 1. 引引 言言v意义及创新点：意义及创新点： 1. 聚乳酸是目前最有潜力的生物高分子材料之一，对其进行表面改性，扩大其适用性意义重大。在PLLA膜基质表面层层静电自组装（PEI/BSA）n还未见报导，因而本文具有很强的实际意义。 2.通过简单的电解质相互作用在材料表面构建负载模型蛋白的多层体系，为进一步构建原位基因缓释体系提供科学依据，在学术思路上具有很强的创新性 。Company Logo盐酸盐酸、乙、乙醇预处理醇预处理2. 2. 实实 验验2.1.1 PLLA基体膜的制备基体膜的制备 8mg/mLPLLA的的CH2Cl2溶液溶液浇注静置浇注静置24h成膜成膜PLLA基基体膜

9、成形体膜成形Company Logo胺解活化后胺解活化后的的PLLA表面表面2. 2. 实实 验验2.1.2 PEI胺解胺解PLLA基体表面基体表面 50乙醇水乙醇水溶液（溶液（15min）超纯水漂洗N2流干燥1mg/mLPEI水水溶液（溶液（20min）超纯水漂洗N2流干燥Company Logo2. 2. 实实 验验2.1.3 层层静电自组装制备（层层静电自组装制备（PEI/BSA）n复合膜复合膜 超纯水漂洗N2流干燥超纯水漂洗 N2流干燥1mg/mLPEI水水溶液（溶液（20min）1mg/mLBSA水水溶液（溶液（20min）循环此过程循环此过程Company Logo2. 2. 实实

10、 验验2.2 组装膜性能测试组装膜性能测试（PEI/BSA）n组装膜与（组装膜与（CS/BSA）n组装膜的稳定性比较组装膜的稳定性比较紫外（紫外（UV）研究组装膜在类体）研究组装膜在类体内环境中的溶解扩散过程内环境中的溶解扩散过程紫外（紫外（UV）分析组装过程）分析组装过程中中BSA增长情况增长情况表面接触角（表面接触角（Contact Angle） X射线光电子能谱（射线光电子能谱（XPS） Company Logo2. 2. 实实 验验2.2.1 X射线光电子能谱（射线光电子能谱（XPS） Figure 3 XPS spectra of different PLLA substrates:

11、 unmodified (a), modified by PEI (b), modified by PEI/BSA (c).7006005004003002001000SCCCOOONNbinding energy / eV (PEI / BSA)0 (PEI / BSA)0.5 (PEI / BSA)1(a)(b)(c)156158160162164166168170172174176 Company Logo2. 2. 实实 验验Table 1 Element content of different samplesAt. %Sample(PEI/BSA)0(PEI/BSA)0.5(PEI

12、/BSA)1C1s58.7960.7563.50O1s41.2138.0827.13N1s1.178.98S2p0.39由Figure 3可见，样品(PEI/BSA)0仅出现C1s 和O1s的能谱峰，样品(PEI/BSA)0.5则出现N1s的能谱峰，证实PLLA表面胺解发生。2.2.1 X射线光电子能谱（射线光电子能谱（XPS） 样品(PEI/BSA)1中N1s能谱峰增强，并出现S2p的峰，说明胺解后带正电荷的PLLA表面成功组装吸附BSA。Company Logo2. 2. 实实 验验 (a) (b)Figure 4 XPS carbon signals of PLLA: unmodifie

13、d PLLA substrate(a) and PEI-activated PLLA substrate(b). 2.2.1 X射线光电子能谱（射线光电子能谱（XPS） 纯PLLA膜表面C1s可分解为三个谱峰，PLLA经PEI胺解活化后，新出现CC-N以及C-CONH-谱峰。292290288286284282CC=Obinding energy, eVCC-OCC-HPLLA292290288286284282CC-NC-CONH-CC-HCC-OCC=Obinding energy, eVPEI/PLLACompany Logo2. 2. 实实 验验Table 2 Surface Comp

14、osition of Different SubstratesXPS data (atom%)SamplePLLAPEI/PLLACC=O36.1328.41CC-O31.5526.75（including CC-N）CC-H32.3243.06C-CONH-1.772.2.1 X射线光电子能谱（射线光电子能谱（XPS） Table 2显示：胺解活化后，表征CC=O和CC-O的谱峰相对含量减少，CC-H相对含量明显增大。XPS结果证实PEI胺解PLLA后，表面主要由带正电荷的PEI组成，为进一步组装吸附带相反电荷的BSA奠定基础。 Company Logo2. 2. 实实 验验01234566

15、46668707274767880contact angle,degreealternate deposition of PEI/BSAFigure 5 Changes of Contact angle with alternate deposition of PEI/BSA by the sessile drop method: 0, PLLA virgin substrate; 1, PEI-activated PLLA substrate; 2-6, BSA and PEI alternate layers. 胺解后PLLA膜基质表面接触角明显下降，组装过程中表面接触角变化并不明显。2.

16、2.2 表面接触角（表面接触角（Contact Angle） 另外，接触角随层数的交替变化，这证实了静电自组装的“层层交替增长”过程。Company Logo2. 2. 实实 验验01234560.00.20.40.60.81.01.21.41.6UV absorbencybilayerFigure 6 The relationship between UV absorbency（278nm）and the number of assembly bilayers for (PEI/BSA)n films.随着组装层数的增加，PLLA表面BSA含量逐渐增大。2.2.3 组装过程组装过程BSA增长

17、情况增长情况 前三个双层BSA的平均吸附量要大于三个双层之后BSA的平均吸附量。这是由于不光滑的表面以及分布不均的电荷更有利于BSA的吸附。Company Logo2. 2. 实实 验验020406080100120140160180200020406080100remaining BSA / %t / hFigure 7 The remaining BSA percent of （PEI/BSA）5 film versus time in PBS(pH=7.4) solution at 36.7随时间的延长，膜表面BSA浓度通过溶解扩散逐渐下降，但速率逐渐变小，在大约150h左右释放完全，由

18、此说明该组装膜对BSA具有一定的缓释功能。2.2.4 自组装膜的溶解扩散过程自组装膜的溶解扩散过程 Company Logo2. 2. 实实 验验0501001502002503003505060708090100remaining BSA / %t / min (PEI / BSA)5 (CS / BSA)5Figure 8 The remaining BSA percent on (PEI/BSA)5 and (CS/BSA)5 films versus elution time in 1% SDS aqueous solution (remaining BSA=100(稳定后BSA吸收强度-洗脱时刻BSA吸收强度)/稳定后BSA吸收强度).两种组装膜的洗脱速率都是由大变小，这是因为表层的BSA易于内层被洗脱。2.2.5 （PEI/BSA）n组装膜与（组装膜与（CS/BSA）n组装膜的稳定性比较组装膜的稳定性比较 (CS/BSA)n的洗脱速率始终要大于(PEI/BSA)n， (PEI/BSA)n膜的稳定性要高于(CS/BSA)n膜，这是因为CS在水中的溶解性较差，影响它的电性表达，从而组装膜的稳定性下降。Com