殼聚糖接枝氨基酸材料的制備與性能的研究.pdf

1、殼聚糖是天然多糖類高分子甲殼素的脫乙酰產(chǎn)物,具有良好的生物相容性、可降解性和生物活性,有利于其作為骨修復(fù)材料,并應(yīng)用于骨組織工程,作為種子細(xì)胞或活性生長(zhǎng)因子的生物載體材料.隨著殼聚糖衍生改性的研究發(fā)展,殼聚糖類復(fù)合材料在骨填充修復(fù)材料、骨組織工程和軟骨組織工程等方面顯現(xiàn)了廣闊應(yīng)用前景.本論文仿照骨和甲殼的天然構(gòu)成與礦化機(jī)制,進(jìn)行新型仿生復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑與設(shè)計(jì),開展了殼聚糖接枝谷氨酸及天冬氨酸材料、磷酸鈣鹽/殼聚糖-聚氨基酸仿生復(fù)合支

2、架的研究,為殼聚糖組織工程材料研究提供了新思路. 研究工作分為四個(gè)階段,主要研究?jī)?nèi)容和研究成果如下: 一、半脫乙酰度殼聚糖原料的制備研究. 采用醋酸水溶液體系,由91﹪脫乙酰度殼聚糖與乙酸酐反應(yīng),制得52﹪脫乙酰度殼聚糖產(chǎn)物.研究發(fā)現(xiàn),乙酸酐與殼聚糖原料用量比、醋酸濃度等反應(yīng)條件影響著乙酰化反應(yīng)程度,可用于控制制備不同脫乙酰度殼聚糖產(chǎn)物.IR、CP/MAS-<'13>CNMR表征了半脫乙酰度殼聚糖結(jié)構(gòu).采用XRD

3、與熱分析研究了殼聚糖粉末樣品的晶型結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)特性.結(jié)果表明,與高脫乙酰度殼聚糖原料相比,半脫乙酰度殼聚糖產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,結(jié)晶度降低,并表現(xiàn)出較強(qiáng)的水結(jié)合能力和較低的熱穩(wěn)定性,對(duì)此通過(guò)分子間氫鍵差異的分析進(jìn)行了解釋.采用IR、xRD、溶脹實(shí)驗(yàn)和力學(xué)測(cè)試比較研究了不同脫乙酰度殼聚糖膜的結(jié)構(gòu)、結(jié)晶性能、溶脹溶解性能和力學(xué)性能.結(jié)果表明,殼聚糖膜的溶脹率隨著脫乙酰度的減少而增加,尤其是半脫乙酰度殼聚糖膜呈水速溶性.殼聚糖膜的拉伸強(qiáng)度和

4、斷裂伸長(zhǎng)率與脫乙酰度有關(guān),而半脫乙酰度殼聚糖膜的斷裂伸長(zhǎng)率明顯改善.XRD測(cè)試表明,半脫乙酰度殼聚糖膜結(jié)晶度高,分析認(rèn)為其具有層狀結(jié)晶結(jié)構(gòu),從而引起各性能的改變. 二、引入谷氨酸的殼聚糖材料仿生礦化性能的探索實(shí)驗(yàn)分別制備了戊二醛交聯(lián)殼聚糖膜、戊二醛交聯(lián)谷氨酸/殼聚糖膜材料,進(jìn)行仿生礦化研究.IR、ESCA測(cè)試表明,利用戊二醛交聯(lián)將谷氨酸引入殼聚糖膜結(jié)構(gòu).采用SEM、EDAX、XRD、ICP研究了磷酸鈣鹽在膜材料表面沉積生長(zhǎng)的情況

5、.研究發(fā)現(xiàn),在模擬體液(15×SBF)浸泡初期,先形成Ca/P比為1.36～1.37細(xì)小顆粒狀磷酸鈣鹽沉積,隨后在底層上成核生長(zhǎng)Ca/P比為 10.46～1.49 片狀堆積磷酸鈣鹽沉積,且在浸泡過(guò)程中,兩層沉積的密度逐漸增加.SEM測(cè)試表明,戊二醛交聯(lián)程度影響殼聚糖膜上沉積磷酸鈣鹽的形貌與數(shù)量,殼聚糖與戊二醛摩爾比為25:1的膜仿生礦化性能較20:1和15:1強(qiáng).與戊二醛交聯(lián)殼聚糖膜相比,殼聚糖/氨酸膜材料表面沉積磷酸鈣鹽的密集程度增加

6、,表明谷氨酸的引入對(duì)促進(jìn)殼聚糖材料體外礦化的作用較明顯.三、殼聚糖接枝氨基酸系列制備技術(shù)的研究分別在水的均相條件、乙酸乙酯溶劑的異相條件下,以殼聚糖的氨基引發(fā)N.羧酸酐(NCA)開環(huán)聚合,制備了接枝L.谷氨酸甲酯殼聚糖產(chǎn)物.均相接枝反應(yīng)中,以52﹪脫乙酰度殼聚糖為原料,在中性條件下反應(yīng)轉(zhuǎn)化率可達(dá)41.0﹪.異相接枝反應(yīng)中,增加NCA的用量和適當(dāng)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間,可提高谷氨酸甲酯接枝側(cè)鏈聚合度.采用IR、CP/MAS-<'13>CNMR.對(duì)均

7、相接枝物、異相接枝物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征.結(jié)果表明,谷氨酸甲酯側(cè)鏈通過(guò)酰胺鍵與殼聚糖結(jié)合,形成梳狀接枝產(chǎn)物.XRD譜圖中,在20=8.3°處出現(xiàn)衍射峰,是接入谷氨酸甲酯側(cè)鏈引起的.DSC、TG/DTG測(cè)試發(fā)現(xiàn),均相接枝物、異相接枝物高溫一側(cè)吸放熱峰的數(shù)量與位置,較原料有明顯改變,并互有不同,反映了各殼聚糖接枝產(chǎn)物由于結(jié)構(gòu)和接枝量的差異,具有不同的熱穩(wěn)定性.接枝物在1mol·l<'-1>氫氧化鈉水溶液中水解反應(yīng),使殼聚糖上谷氨酸甲酯接枝側(cè)鏈堿解

8、生成谷氨酸.新接枝方法可用于殼聚糖材料的表面改性,賦予材料特殊性質(zhì)以滿足不同要求. 以磷酸為催化劑,熱縮聚合成摩爾比分別為10:0、8:2、5:5的天冬氨酸.谷氨酸共聚物,在DMF體系中,與殼聚糖進(jìn)行異相接枝反應(yīng).合成摩爾比為2:8的天冬氨酸-谷氨酸共聚物可溶于水,與殼聚糖進(jìn)行均相接枝反應(yīng).IR、CP/MAS-<'13>CNMR測(cè)試表明,殼聚糖氨基使共聚物中酰亞胺環(huán)開環(huán)反應(yīng),制得的接枝產(chǎn)物結(jié)構(gòu)明確.XRD譜圖中,在2θ=15.

9、1°處出現(xiàn)新衍射峰,是由共聚物接枝鏈引起.DSC熱分析結(jié)果可見,對(duì)比接枝摩爾比分別為10:0、8:2、5:5共聚物的殼聚糖產(chǎn)物,其熱穩(wěn)定性,隨著接枝鏈中羧基比例的增加而增強(qiáng),且比殼聚糖原料略有提高.接枝物在2mol·l<'-1>氫氧化鈉水溶液中進(jìn)行水解反應(yīng),使未反應(yīng)的酰亞胺環(huán)水解開環(huán).新的合成方法為殼聚糖材料的進(jìn)一步開發(fā)利用提供了可能.四、殼聚糖系列支架材料的制備與性能研究采用冷凍干燥法制備天冬氨酸一谷氨酸共聚物交聯(lián)殼聚糖支架材料,分別

10、進(jìn)行了IR、XRD、SEM、孔隙率測(cè)定、力學(xué)性能測(cè)定,考察了組分和交聯(lián)改性對(duì)其結(jié)構(gòu)形貌的影響.研究發(fā)現(xiàn),殼聚糖支架材料交聯(lián)后,孔隙率較原多孔支架略有減小,但仍保持較高孔隙率,范圍為85﹪～95﹪.交聯(lián)后支架材料孔隙大小可控制在直徑為40～200μm,支架材料多孔結(jié)構(gòu)及孔隙間相互通透性未明顯改變.交聯(lián)后殼聚糖支架材料壓縮性能改善.體外細(xì)胞培養(yǎng)研究表明,成骨細(xì)胞在支架中粘附性和生長(zhǎng)狀態(tài)良好.從四氮唑鹽(MTT)測(cè)試結(jié)果看,殼聚糖支架的細(xì)胞粘

11、附增殖量高于交聯(lián)支架材料.其中,5wt﹪-8:2交聯(lián)支架細(xì)胞培養(yǎng)結(jié)果略好于其它交聯(lián)支架材料.殼聚糖及其交聯(lián)支架材料經(jīng)明膠處理后,成骨細(xì)胞粘附增殖量增加.含丁二酰亞胺結(jié)構(gòu)的天冬氨酸一谷氨酸共聚物作交聯(lián)劑,為更有利地利用殼聚糖材料作為組織工程支架提供了新方法. 分別制備了殼聚糖.聚氨基酸支架材料、磷酸鈣鹽/殼聚糖.聚氨基酸仿生復(fù)合支架,進(jìn)行IR、XRD、SEM、孔隙率測(cè)定、力學(xué)性能測(cè)定,研究了材料結(jié)構(gòu)與表面形貌、孔隙率、孔形態(tài)等性能

12、.研究發(fā)現(xiàn),殼聚糖系列多孔支架均形成超過(guò)90﹪的高孔隙率.掃描電鏡照片觀察到多孔支架內(nèi)孔徑分布較寬,孔相連性好,殼聚糖.聚氨基酸支架孔徑尺寸為50～250μm,磷酸鈣鹽/殼聚糖.聚氨基酸仿生復(fù)合支架孔徑尺寸為100～300μm,且仿生復(fù)合支架中磷酸鈣鹽呈亞微米級(jí)密實(shí)顆粒狀結(jié)合.測(cè)試表明,支架樣品的壓縮強(qiáng)度均在10-10<'2>kPa數(shù)量級(jí).體外細(xì)胞培養(yǎng)研究表明,成骨細(xì)胞在支架材料表面粘附和增殖生長(zhǎng)狀態(tài)良好,呈組織化趨向.MTT測(cè)試表明,