（材料學(xué)專業(yè)論文）高分子水凝膠修飾碳納米管神經(jīng)元探針.pdf

碩士論文高分了水凝膠修飾碳納米管神經(jīng)元探針 摘要 本文主要研究了聚7 , - - 醇二丙烯酸酯單壁碳納米管( p e g d a s w n t s ) 水凝膠膜 層對金電極的修飾，考察了水凝膠修飾電極的電化學(xué)性能。同時，在p e g d a s w n t s 水凝膠膜層中負載地塞米松，研究了其藥物釋放規(guī)律。 采用共價鍵合法對金電極進行化學(xué)修飾，將清潔處理的金電極采用層層組裝的方 法，分別經(jīng)過巰乙胺和p e g d a 大分子的修飾，在金電極表面制得以乙烯基封端的分 子膜。利用接觸角、x 射線光電子能譜( x p s ) 和循環(huán)伏安曲線( c v ) 的測試手段證實了 巰乙胺的自組裝和m i c h a e l 加成反應(yīng)的成功進行，為電極的進一步修飾提供了可能。 將化學(xué)酸化處理的s w n t s 超聲分散在p e g d a 水凝膠的前驅(qū)物溶液中，用微量 注射器滴加到分子修飾的金電極表面，采用u v 紫外光聚合法制得了水凝膠修飾電 極。采用循環(huán)伏安法( c v ) 和交流阻抗譜( e i s ) 表征了水凝膠修飾電極的電化學(xué)性能， 發(fā)現(xiàn)s w n t s 能顯著提高水凝膠修飾膜層的導(dǎo)電性能；并比較了共價鍵合法和涂漬法 制得的水凝膠修飾電極的膜層粘結(jié)強度，結(jié)果表明共價鍵合法優(yōu)于涂漬法。 將地塞米松摻雜于p e g d a 水凝膠前驅(qū)物溶液中，p e g d a 在u v 紫外光下照射 固化過程中使藥物負載在三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，表征了水凝膠薄膜的物理化學(xué)性質(zhì)，并研 究了水凝膠的藥物釋放規(guī)律，發(fā)現(xiàn)s w n t s 對地賽米松具有固定吸附的作用，延長了 地塞米松在水凝膠中的釋放周期。 關(guān)鍵詞：高分子水凝膠，碳納米管，金電極，藥物釋放，生物相容性 a b s t r a c t碩 論文 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 謝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 聲明 本學(xué)位論文是我在導(dǎo)師的指導(dǎo)下取得的研究成果，盡我所知，在本 學(xué)位論文中，除了加以標注和致謝的部分外，不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或 公布過的研究成果，也不包含我為獲得任何教育機構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使 用過的材料。與我一同工作的同事對本學(xué)位論文做出的貢獻均己在論文 中作了明確的說明。 研究生簽名：挲址 汕p 年( 月a 。日 學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 南京理工大學(xué)有權(quán)保存本學(xué)位論文的電子和紙質(zhì)文檔，可以借閱或 上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部內(nèi)容，可以向有關(guān)部門或機構(gòu)送交并 授權(quán)其保存、借閱或上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部內(nèi)容。對于保密 論文，按保密的有關(guān)規(guī)定和程序處理。 研究生簽名： 地絲a q 年6 月。日 碩： j 論文高分子水凝膠修飾碳納米管神經(jīng)元探針 第1 章緒論 i i 研究背景 神經(jīng)元探針是連接神經(jīng)組織與設(shè)備的微結(jié)構(gòu)器件，能夠方便、有效地記錄中樞神 經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生的電信號，準確探測中樞神經(jīng)系統(tǒng)的異常。用于神經(jīng)科學(xué)及腦一機接口的 植入式神經(jīng)元探針具有很小的覆蓋區(qū)，可減少對神經(jīng)的傷害，同時也使探針更接近靶 向神經(jīng)，從而可提高刺激或記錄信號的信噪比【lj ，有助于我們了解大腦中視覺神經(jīng)、 觸覺神經(jīng)等感應(yīng)環(huán)境的過程。一直以來，神經(jīng)信號都是由金屬絲探針來記錄的，但近 年來硅基探針也逐漸用于記錄神經(jīng)活動信號。目前應(yīng)用較為普遍的硅基探針包括 m i c h i g a n 探針和u t a h 探針陣列1 2 】。 由于神經(jīng)元探針的材質(zhì)大多是鍍銥或鍍金的硅基材料，金屬界面的粘接性能較 差，無法與神經(jīng)組織產(chǎn)生緊密、牢固的接觸；而且裸電極的比表面積較小、基質(zhì)材料 的生物相容性較差，植入中樞神經(jīng)系統(tǒng)后，電極的電信號傳輸能力逐漸下降【3 】。此外， 神經(jīng)元探針材料和中樞神經(jīng)組織的機械性能存在巨大的差別( 神經(jīng)元探針的模量為 1 7 2g p a ，中樞神經(jīng)組織的模量為1 0 0k p a ) ，探針會對組織產(chǎn)生創(chuàng)傷，導(dǎo)致傷口的周 圍逐漸結(jié)痂，即在探針周圍形成一層隔離層，阻斷中樞神經(jīng)組織與電極之間的電信號 傳輸【4 j ，而使電極不能長期使用。因此，需要在神經(jīng)元探針和神經(jīng)組織之間建立一個 有機械模量梯度的、柔軟疏松的中間層。 1 2 聚合物碳納米管復(fù)合水凝膠膜層電極一組織界面 1 2 1 碳納米管的結(jié)構(gòu)與性能 碳納米管( c a r b o nn a n o t u b e ，c n t ) ，又名巴基管，是由石墨片層卷曲的空心圓柱， 兩端由富勒烯半球封端而成。按片層石墨的層數(shù)分類，可分為單壁碳納米管( s w n t ) 和多壁碳納米管( m w n t ) 。單壁碳納米管由單層石墨片層卷曲而成；多壁碳納米管是 由多層納米級同心石墨圓柱組成，類似于樹的年輪( 層與層之間的距離約為3 4a ) 5 , 6 1 。 碳納米管是一種具有特殊結(jié)構(gòu)( 徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級) 的一維量 子材料，因此納米管易于成束并相互纏結(jié)在一起【7 1 。科學(xué)家猜測碳納米管可能是 c 1 0 0 0 0 0 0 結(jié)構(gòu)的單一元素聚合物【8 】。碳納米管的制備方法包括燃燒火焰法，化學(xué)氣相 沉積法，電弧放電法，激光蒸發(fā)法1 6 j 。 由于碳納米管可看成是石墨卷曲而成的圓柱，因此具有石墨的本征特性，如耐熱、 耐腐蝕、耐熱沖擊和自潤滑性等一系列綜合性能。但是碳納米管的尺度、結(jié)構(gòu)、拓撲 學(xué)因素和碳原子相結(jié)合又賦予了碳納米管極為獨特并具有廣闊應(yīng)用前景的性能，如具 第1 章緒論 碩上論文 有大的比表面積和高的機械強度，熱導(dǎo)率是目前導(dǎo)熱性能最好的金剛石的2 倍 9 1 ，電 流傳輸能力是金屬銅線的1 0 0 0 倍【l0 1 ，同時還有獨特的金屬或半導(dǎo)體導(dǎo)電特性，在晶 體管1 1 1 、分子電子器件【1 2 】、導(dǎo)電高強復(fù)合材料f 1 3 】、催化劑載體【1 4 1 、平板顯示器【1 5 】、 傳感器【l6 】等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。 1 2 2 水凝膠的結(jié)構(gòu)與性能 凝膠是一種常見的高分子材料，由三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高分子和填充在高分子鏈段空 隙之間的介質(zhì)構(gòu)成，其網(wǎng)絡(luò)由大分子主鏈及含有親水性( 極性) 基團和疏水性基團，或 有解離型基團的側(cè)鏈構(gòu)成。介質(zhì)可以是氣體或液體，以水為分散介質(zhì)的凝膠稱為水凝 膠，自然界中絕大多數(shù)的動物、植物中存在的天然凝膠以及多數(shù)合成高分子凝膠均屬 于水凝膠。 凡是水溶性或親水性的高分子，通過一定的化學(xué)交聯(lián)或物理交聯(lián)，都可以形成水 凝膠。根據(jù)水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的成鍵性能，高分子水凝膠可分為兩類，一類是以非共價 鍵結(jié)合、分子纏繞、氫鍵等作用形成的物理交聯(lián)水凝膠，是非永久性的，通過加熱凝 膠可轉(zhuǎn)變?yōu)槿芤?，被稱為假凝膠或熱可逆凝膠；另一類是以共價鍵作用形成的化學(xué)交 聯(lián)水凝膠，是永久性的，又稱為真凝膠【l 。水凝膠中的水分子通常呈現(xiàn)三種狀態(tài)，即 自由水，冷凍結(jié)合水和非冷凍結(jié)合水【l 引。水分子與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的相互作用、凝膠的交聯(lián) 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與水凝膠的物理化學(xué)性質(zhì)有著密切的關(guān)系，如水凝膠的力學(xué)強度幾乎完全取 決于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的交聯(lián)密度，溶脹行為則與力學(xué)性能有關(guān)。 聚乙二醇二丙烯酸酯( p e g d a ) 是聚7 , - - 醇( p e g ) 的一類衍生物( 末端通過丙烯酸 封端1 ，可改善生物相容性、延長藥物周期、提高生物活性、降低免疫原性等，分子 量 4 0 0d a 時無毒性，經(jīng)由腎臟便可快速排出體外，并且聚合物骨架在生物體內(nèi)不 會發(fā)生降解【1 9 】。由p e g d a 制得的水凝膠具有較高的強度，良好的加工性和防污性， 對溫度和p h 的穩(wěn)定性【1 。7 1 ，其化學(xué)性質(zhì)和表面形貌類似于細胞外基質(zhì)，因而廣泛應(yīng)用 于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如再生醫(yī)學(xué)2 0 1 ，細胞包埋【2 1 1 ，創(chuàng)傷修復(fù)捌等。 1 2 3 聚合物碳納米管復(fù)合水凝膠的制備 雖然水凝膠具有很好的生物相容性，但由于其導(dǎo)電性能較差，在溶脹狀態(tài)下強度 較低，限制了其在生物電極方面的應(yīng)用。同時，碳納米管可能存在生物毒性，不利于 生物方面的應(yīng)用。故可考慮通過在交聯(lián)的高度親水聚合物網(wǎng)絡(luò)中摻入碳納米管，利用 水凝膠對碳納米管進行包埋，避免了碳納米管與生物組織的直接接觸，又可以提高水 凝膠的導(dǎo)電性1 2 3 】，制得仿生導(dǎo)電性水凝膠。據(jù)報道，在聚合物基體中添加1w t 5 w t 的碳納米管可顯著改善聚合物的導(dǎo)電性【2 4 1 ，而高度取向的碳納米管只需添加0 1 w t ，即可顯著提高基體的機械性能和導(dǎo)電性能1 2 5 1 。 在水凝膠中摻雜碳納米管可采取兩種方法：( 1 ) 共價鍵合法f 2 6 1 ，即將酸化處理的 2 碩上論文高分子水凝膠修飾碳納米管神經(jīng)冗探針 s w n t 先進行化學(xué)修飾接上宮能團以使其可參與水凝膠的聚合網(wǎng)絡(luò)，再與水凝膠大分 子單體混合；( 2 ) 機械混合法1 27 1 ，即將混酸處理的碳納米管直接與水凝膠大分子單體 混合。兩者的區(qū)別在于前者制得的材料中碳納米管與水凝膠之間的作用力較大，故機 械強度也高，碳納米管不易從網(wǎng)絡(luò)中擴散出去。對于配制好的聚合物碳納米管水凝 膠前驅(qū)物溶液，其固化過程主要取決于水凝膠大分子單體的性質(zhì)。物理水凝膠可采用 氫鍵、靜電耦合、配位鍵交聯(lián)等：化學(xué)水凝膠可采用化學(xué)反應(yīng)法、光聚合、輻射聚合、 等離子體引發(fā)聚合、超聲聚合【2 8 】等。 紫外光聚合法作為制備水凝膠的一種有效而溫和的方法，與傳統(tǒng)的物理化學(xué)方法 相比，具有很多的優(yōu)點：反應(yīng)條件溫和，副產(chǎn)物少，無毒性催化劑和引發(fā)劑，加工過 程易于控制。因此，近年來主要以光固化方法作為生物醫(yī)學(xué)材料的制各方法【2 9 】。通過 紫外光引發(fā)自由基聚合而制得的p e g 水凝膠具有較高的空間一致性1 3 0 ，但是紫外光 照射反應(yīng)具有選擇性，只有生色團才能吸收具有一定能量的紫外射線。聚合物中不具 光化學(xué)活性基團則不會吸收紫外線，也就不會有光化學(xué)作用的【3 。用于制備水凝膠的 光引發(fā)體系主要有兩種：( 1 ) 親水性聚合物的肉桂酸、香豆素、葸等感光基團的光二 聚作用【3 2 1 ；( 2 ) 紫外光或可見光引發(fā)聚合物的丙烯酸基團自由基聚合【3 3 1 。 1 3 水凝膠修飾電極的制備 1 3 1 涂漬法 涂漬法，即將聚合物溶解于去離子水3 4 ，3 5 】中，用微量進樣器將水凝膠的前驅(qū)物溶 液加到清潔處理的電極表面，在空氣中靜置干燥以使溶劑自然揮發(fā)成膜【3 4 3 6 。3 7 】或冷凍 成膜1 3 引，電極在使用前需在測試溶液中充分水合溶脹。這種方法操作簡單、直接，膜 厚均一可控，但存在的問題是水凝膠膜層與電極表面的粘接力不強，在進行電化學(xué)等 表征時，由于水凝膠發(fā)生溶脹、尺寸變大，使水凝膠在電極的表面發(fā)生滑移、脫落等， 從而無法表征水凝膠修飾后電極的真實電化學(xué)性能，電極的重現(xiàn)性不是很好。采用這 種方法時，電極表面通常只是進行清潔處理，一般的方法是先用氧化鋁拋光液對電極 的表面進行打磨拋光，直至鏡面，然后超聲水沈處理【3 7 1 ，以除掉電極表面物理吸附 的氧化鋁等污染物。為了避免電極表面水凝膠修飾層的脫落，可以采用黏著促進劑、 超薄水凝膠或者微凝膠等來進一步修飾水凝膠電極【3 8 】。 1 3 2 共價鍵合法 共價鍵合法適用于化學(xué)凝膠，但制備手續(xù)較繁瑣，需要對電極進行活化預(yù)處理。 通常是采用自組裝的方法先在金、氧化銦錫等金屬電極，或者硅等非金屬電極的表面 形成分子自組裝膜，對電極表面進行修飾以引入活性官能團( 如一n h 2 【3 9 1 、- - o h ! 刪、 - - c o o h 4 1 】等) ，然后以此作為反應(yīng)活性點，采用硅烷化 4 0 l 、m i c h a e l 加成【4 1 】或偶聯(lián)反 3 第1 章緒論碩上論文 應(yīng)3 卅等處理方法再引入所需的活潑基團( 如一c = c 【3 9 舶】等) ，作為水凝膠對電極修飾的 反應(yīng)活性點，提高水凝膠膜層與電極之間的粘接性，如圖1 1 所示。對金電極而言， 一般的過程是將表面清潔處理和電活化后的電極在待組裝分子的溶液中浸漬一定時 間，取出后清洗干凈以除去物理吸附的待組裝分子，得到自組裝分子膜修飾的電極。 然后將水凝膠前驅(qū)物溶液滴加或旋涂到電極表面，根據(jù)聚合物的性質(zhì)采用輻射法 ( u v ) 4 2 - 4 3 】或化學(xué)法( 乳液法) 等方法制備電極表面的水凝膠修飾層。研究結(jié)果表明水凝 膠修飾層與電極之間的界面粘結(jié)強度得到提高m 4 5 1 ，共價鍵合的水凝膠能很好地附著 于電極的表面。 1 3 3 電化學(xué)法 葬喜s 菘c h 2 c 囂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 黟一一嬲鼉 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 圖1 1 微圓盤電極陣列的表面功能化【3 9 1 電化學(xué)法包括電化學(xué)聚合法【刪和電化學(xué)沉積法【4 。電化學(xué)聚合法操作簡單，是 在固體表面制備水凝膠薄膜常用的方法，但需要在電解液中進行，使單體發(fā)生自由基 聚合而形成水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其它條件視實際情況而赳4 6 1 。電極先進行電活化處理， 然后置于單體溶液中，采用三電極體系或雙電極體系，通過電引發(fā)使單體在電極表面 發(fā)生聚合，生成水凝膠薄膜。電化學(xué)沉積法需要在電極表面溶液中形成p h 梯度1 4 7 l ， 然后對電極表面施加電壓，改變局部質(zhì)子濃度，進而引起高分子材料的縮聚或沉淀反 應(yīng)，如圖1 2 所示。與傳統(tǒng)的方法相比，電化學(xué)沉積法簡單，適用于選擇性沉積厚度 可控的薄膜，但是此類聚合反應(yīng)屬非自由基聚合過程，凝膠薄膜的種類受到一定的限 制，并且p h 的梯度變化不利于生物分子的活性保持。采用此法制備修飾電極時，需 要將電極打磨拋光至鏡面后進行超聲清洗處理，然后置于電活性單體的電解質(zhì)溶液 中，采用恒電位或恒電流在陰極電極表面進行沉積，即可制備得到水凝膠薄膜修飾的 4 = 啦 o 一 。 飛 堡! ：絲蘭妾坌王查墼壁豎塑壁墊鲞量壁絲! ! 型鹽 電極，但所得水凝膠薄膜的厚度受所加電壓、聚合物冰度和沉積時間的影響【刪 h ： 置鬻墨 磣 p hg a “ i t l s ：u d 日 圖】2 摻雜納米顆粒和酶的殼聚糖水凝膠在陰極電極表面的電沉積圳 1 3 4 層層組裝法 層層組裝法主要是用于制各超薄水凝膠薄膜，厚度為納米量級的水凝膠薄膜不會 對電極的機械強度產(chǎn)生影響 4 9 1 。固體表面的水凝膠薄膜可由表面接枝聚臺、電聚臺等 方法制得，但是部很難控制薄膜達到納米量級的厚度及分予水平的化學(xué)結(jié)構(gòu)。層層組 裝是通過非共價鍵作用( 靜電作用、電荷轉(zhuǎn)移作用、氫鍵、范德華力作用等】或化學(xué)反 應(yīng)( 比如酰胺化、酯化等) 在電極表面制各薄膜。清潔的電極交替浸泡于幾種不同的高 分子溶液中進行組裝，多次重復(fù)后即可得到超薄水凝膠薄膜修飾的電板1 4 9 - 5 ”。 1 4 水凝膠修飾電極的應(yīng)用 i a 1 神經(jīng)元電極 神經(jīng)元電極是構(gòu)建具有高靈敏性和生物相容性的神經(jīng)一電界面是腦一機接口研 究的基石，但它在臨床上的長期應(yīng)用還受到一系列的限制，如實現(xiàn)電極與中樞神經(jīng)組 織的模量匹配、提高神經(jīng)元細胞的附著和軸突樹突的發(fā)育、增加神經(jīng)元電極與神經(jīng) 軸突日j 的接觸和滲透，實現(xiàn)營養(yǎng)物質(zhì)供給和相關(guān)炎癥治療等多功能化防l 免疫反應(yīng) 和愈傷組織導(dǎo)致的信號質(zhì)量衰退等方面仍然面臨著問題。因此，笈展軟凝聚態(tài)生物活 性和電活性電極一組織界面顯得十分重要w 。 水凝膠作為生物相容性材料，具有類似生物組織的柔軟性p “，力學(xué)模盈與生物體 腦組織的力學(xué)模量相近，從而可改善電極與組織間的相互作用m l 。仿生材料一水凝 膠可改善生物電極在體內(nèi)的生物相容性，延長電極的植入期限1 3 9 1 ，減少傷疤組織的形 成，降低所需的電流，具有較好的靈敏度和檢出極限1 4 。雖然水凝膠克服了當(dāng)前傳感 器生物相容性和神經(jīng)一電極界面的局限，擴大了醫(yī)療器件、生物傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。 但需要注意的是，水凝膠膜層可能會增加電極與靶向神經(jīng)的距離增加等效回路的溶 液阻抗以及電極的阻抗，降低神經(jīng)一電極界面的彌敞頻率，這些都會降低神經(jīng)信號的 第1 章緒論 碩士論文 強度，從而影響到電極的性能【3 9 5 3 5 4 】。目前降低電極的初始阻抗的措施有：( 1 ) 電極尺 寸、形狀、基底材料等的最優(yōu)化；( 2 ) 在電極表面沉積金屬或金屬氧化物，同時施加 偏壓脈沖以降低電極的初始阻抗；( 3 ) 采用導(dǎo)電聚合物和水凝膠制得的混合膜以大幅 降低電極阻抗。利用電化學(xué)聚合的方法在水凝膠中摻入導(dǎo)電聚合物是最常見的方法 1 5 5 - 5 6 】，由于導(dǎo)電聚合物具有很大的表面積，故可有效促進神經(jīng)元的信號傳輸，而阻抗 可通過聚合時間來控制【5 m 引。但是不容易精確控制聚合物的相對量及空間分布，并且 導(dǎo)電聚合物與電極之間僅靠靜電力結(jié)合，當(dāng)受到機械力或周圍電解質(zhì)的作用時可能會 發(fā)生脫落【5 3 1 。 此外，水凝膠具有一定的藥物緩釋性能，通過在水凝膠修飾層內(nèi)摻雜生物藥物或 神經(jīng)生長因子，通過消炎藥的全身給藥或局部給藥可減少電極植入生物體內(nèi)后生物組 織引起的炎癥，或?qū)毎尫胖委熜运幬?，刺激神?jīng)元細胞在電極上的生長和分化【5 9 1 ， 有效改善了電極的生物相容性。水凝膠具有孔狀結(jié)構(gòu)，附著在水凝膠表面的神經(jīng)元細 胞的樹突軸突可伸入到水凝膠膜層內(nèi)【6 0 - 6 2 ，從而改善了神經(jīng)一電極界面，降低刺激 閾，便于電極實時監(jiān)測、記錄和刺激神經(jīng)元的活動。 1 4 2 酶修飾電極 以生物酶作為分子識別器件的電化學(xué)生物傳感器稱為酶修飾電極。設(shè)計制備酶電 極需要注意以下幾點：分析物的傳輸；快速電子轉(zhuǎn)移動力學(xué)；酶的穩(wěn)定性；酶與宿主 蛋白的隔離；以及生物相容性1 3 酬。水凝膠具有很好的生物相容性，性能類似于細胞外 基質(zhì)，水凝膠內(nèi)特殊的微環(huán)境可保持酶的二級結(jié)構(gòu)和生物活性【6 3 引j ，同時電極表面水 凝膠的多孔結(jié)構(gòu)便于被分析物的擴散【6 踴6 1 ，故可在水凝膠內(nèi)部固定酶來制備酶修飾電 極。通過在前驅(qū)物溶液中添加戊二醛等物質(zhì)，改變共聚單體的組成及單體與交聯(lián)劑濃 度比，可調(diào)節(jié)水凝膠的交聯(lián)密度，使生物酶處于不能脫離的狀態(tài)，使酶的固定化更牢 固，調(diào)控固定化過程及載體的p h ，改善酶的微環(huán)境。生物活性酶通常是與水凝膠前 驅(qū)物溶液混合，然后在電極表面通過凝膠化聚合即可，所得的薄膜狀酶電極具有很好 的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，對分析物具有很好的催化還原能力【6 3 劃】。 用于測定葡萄糖的水凝膠一酶修飾電極是最為廣泛研究和使用的電化學(xué)傳感器 1 6 7 。7 1 】，其構(gòu)置過程見圖1 3 。葡萄糖氧化酶具有很好的穩(wěn)定性，在u v 照射的條件下 也能保持活性1 67 。在玻碳電極的表面采用殼聚糖水凝膠固定葡萄糖氧化酶，所得的水 凝膠一酶修飾電極對葡萄糖的響應(yīng)時間短，檢出極限低，靈敏度高【6 引。氧化還原水凝 膠能調(diào)整葡萄糖氧化酶與電極之間的電子轉(zhuǎn)移1 6 9 - 7 0 l ，用氧化還原水凝膠固定葡萄糖氧 化酶制備得到的葡萄糖微電極能顯著提高響應(yīng)電流的密度、靈敏度，這是由于電子在 氧化還原水凝膠中的徑向擴散引起的【7 。此外，在電極表面固定葡萄糖氧化酶較好的 方法是，采用電解還原法先在電極表面接枝上芳基重氮鹽，然后共價鍵合水凝膠用于 6 堡土魚塞 壹坌量查墼墼壁塑熊墊堂堂塑絲i 型鹽 固定葡萄糖氧化酶f 訓(xùn)。 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 刪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 葡萄糖傳感器的構(gòu)置示意削。刪 i p e t 傳蓐器 口h 傳礤囂 3 8 , 7 3 】主要是基于p h 響應(yīng)型水凝膠( 如聚甲基丙烯酸羥乙酯水凝膠、 聚丙烯酸等含有弱酸或弱堿官能團的水凝膠) 的，可以實現(xiàn)水凝膠物理特征的變化轉(zhuǎn) 變?yōu)殡娦盘?，主要有以下幾種類型：折射式傳感器、光柵傳感器、電導(dǎo)型傳感器、石 英震蕩微天平傳感器、磁致彈性傳感器、微懸臂粱傳感器、彎扳式傳感器等口q 。工作 的原理是d h 值變化引起的溶脹導(dǎo)致柔性板的彎曲。對于電容式傳感器而言，可以觀 察到電容的變化。而對于電阻電橋傳感器而言，由于承凝膠薄膜發(fā)生偏轉(zhuǎn)，相應(yīng)的薄 膜應(yīng)力也會改變電橋電阻，從而改變輸出電壓唧j 。 p h 傳感器適用的p h 范圍應(yīng)該在所選擇水凝腔的相轉(zhuǎn)變p h 范圍之內(nèi)，響應(yīng)時日j 受緩沖分子擴散傳輸所需時間的影響，而緩沖分子的擴散將引起水凝膠發(fā)生質(zhì)子化或 去質(zhì)子化1 7 ”。p h 傳感器的靈敏度最高可達1 0 。5p h 單位，數(shù)理統(tǒng)計后的數(shù)據(jù)表明其平 均測量精度可達1 0 0 1 0 3p h 單位并且可以進行實時監(jiān)測。p h 傳感器的優(yōu)點在于 適用水凝膠種類的多樣化，這為傳感器的特殊應(yīng)用提供了恰當(dāng)?shù)慕鉀Q方法”。 1 5 本文研究思路和內(nèi)容 本文的研究思路是以聚乙二醇二丙烯酸酯( p e g d a ) 為原料通過摻雜強酸超聲處 理過的單壁碳納米管( s w n t s ) 。從而形成穩(wěn)定的分散體系用于制各仿生導(dǎo)電水凝睦薄 膜以改善生物電極的表面力學(xué)模量提高其與生物細胞的相容性，同時在水凝膠中 負載藥物以消除水凝膠修飾電極對生物細胞產(chǎn)生的炎癥影響。本文主要采用u v 光 聚合法用于制備水凝膠修飾電極，著重研究了水凝膠修飾電極的電性能，以及水凝膠 膜層的釋藥性能。 本文的主要內(nèi)容及結(jié)構(gòu)如下： 第一章：介紹水凝膠的結(jié)構(gòu)與性能、聚合物，碳納米管復(fù)合水凝膠的制各、以及 水凝膠修飾電板的制備方法和應(yīng)用，井提出本文的研究思路和研究內(nèi)容。 一玉 烹筘 一曠小一 第l 章緒論 碩1 二論文 第二章：采用層層組裝的方法對裸金電極進行表面修飾，利用c v 和e i s 電化學(xué) 表征、x p s 譜學(xué)測定、潤濕性測定證實了巰乙胺和p e g d a 分子層對裸金電極表面的 成功修飾。 第三章：研究利用共價鍵合法，采用u v 光聚合法制備水凝膠修飾金電極，采用 c v 、e i s 考察了水凝膠修飾電極的電化學(xué)性能，以及碳納米管對水凝膠電性能的影 響，同時還測定了水凝膠修飾層的粘結(jié)性能。 第四章：研究水凝膠的藥物釋放規(guī)律，通過紅外、顯微鏡等手段表征水凝膠的結(jié) 構(gòu)與性能，并對地塞米松釋放的機理進行了初步探討。 8 碩：t 論文 商分子水凝膠修飾碳納米管神經(jīng)元探針 第2 章分子修飾金電極的制備 2 1 理論背景 金電極的表面很光滑，若將高分子水凝膠直接附在金電極表面，兩者僅存在物理 吸附。在進行電化學(xué)表征時，由于水分子大量進入水凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)，水凝膠發(fā)生溶 脹而使其尺寸變大，導(dǎo)致水凝膠在金電極表面發(fā)生滑移、脫落，從而無法表征到水凝 膠修飾后電極的電化學(xué)性能。因此需要對金電極進行修飾，使其與水凝膠之間除了增 大物理吸附作用外，還能夠發(fā)生化學(xué)吸附作用。此外，金電極很穩(wěn)定，在空氣中不易 氧化，通過自組裝等系列方法在電極表面形成分子膜，同時分子膜的末端基團( 如 - - c o o h 、一n h 2 、- - o h 等活潑基團) 為金電極的進一步修飾提供了反應(yīng)活性點。在 本章的研究中，我們采用層層組裝的方法，在金電極表面形成了以- - c h = c h 2 為末端 官能團的分子膜，- - c h = c h 2 可參與到后續(xù)p e g d a 水凝膠前驅(qū)物溶液在電極表面的 光聚合過程，從而使p e g d a 水凝膠通過化學(xué)鍵鍵合到金電極表面。 由于金電極表面的干凈程度直接影響到分子膜的質(zhì)量，為了組裝出缺陷少、有序 性高的分子膜，在組裝前需要對電極的表面進行清潔處理，以除去表面吸附的有機物。 一般的方法是將金電極在“p i r a n h a ”溶液中浸泡2m i n 3 0m i n ，以除去表面的雜質(zhì)， 然后依次用去離子水和待組裝溶液的溶劑沖洗，用去離子水和乙醇沖洗干凈，最后將 其浸入待組裝液進行組裝【7 4 , 7 5 j 。 在金電極表面進行硫醇類化合物的自組裝及進一步修飾的方法通常有以下兩種 【_ 7 6 】：( 1 ) 硫醇類化合物的離位功能化及其在電極表面的吸附。采用這種方法制備的化 學(xué)修飾電極存在一些缺陷，多步合成后的硫醇類大分子由于空間位阻效應(yīng)在電極表面 只能形成疏松的s a m s ，電極表面覆蓋不完全。( 2 ) 電極表面硫醇類化合物的原位功能 化。采用這種方法制備的化學(xué)修飾電極具有較高的選擇性和靈敏性，較低的檢出極限。 相比而言，原位功能化的方法更好。 本章采用巰乙胺的原位功能化，首先用巰乙胺( c y s t e a m i n e ，簡稱c y s ) 修飾金電 極，通過巰基與金電極之間產(chǎn)生強烈的吸附，形成穩(wěn)定致密、高度有序的自組裝單分 子膜，引入胺基。然后采用m i c h a e l 加成反應(yīng)【7 7 1 ，以n a o h 作為催化劑，利用親核試 劑巰乙胺的氨基( - - n h z ) 與口，一不飽和羰基化合物p e g d a 的乙烯基( 一 c h = c h z ) 進行共軛加成反應(yīng)。m i c h a e l 加成反應(yīng)溶液的最佳p h 值應(yīng)為9 ：當(dāng)p h 9 時，丙烯酸酯類聚合物p e g d a 會 發(fā)生水解反應(yīng)。此外，室溫下m i c h a e l 加成反應(yīng)的時間也應(yīng)控制適當(dāng)。s t e v e npa 等 1 7 s 】發(fā)現(xiàn)，2 5 下p e g d a 與聚( 2 - 氨乙基一異丁烯酸) 的m i c h a e l 加成反應(yīng)的時間不 能過長，超過2h 后，產(chǎn)物的分子量反而降低，最后只能得到小分子量的聚合物鏈段， q 第2 章分子修飾金電極的制備碩士論文 多分散性較低。這是因為29 0 的胺基仍未發(fā)生反應(yīng)，水合后顯堿性，會催化p e g d a 的酯基發(fā)生水解。因此，本章研究中，室溫下m i c h a e l 加成反應(yīng)的時間取2h 。 2 2 實驗部分 2 2 1 原料與儀器設(shè)備 曲藥品 p e g d am n7 0 0 s h c h 2 c h 2 n h 2 9 5 無水乙醇 9 9 7 h 2 0 2 3 0 濃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 ) 儀器 b s2 2 4 s 電子天平 c h i - - 6 6 0 b 電化學(xué)工作站 飽和甘汞電極 鍍金電極 k q - 2 5 0 超聲清洗器 s l 2 0 0 a 潤濕角測定儀 p h l 5 3 0 0x 射線光電子能譜儀 2 2 2 實驗步驟 s i g m a - - a l d r i c h s i g m a 國藥集團化學(xué)試劑有限公司 國藥集團化學(xué)試劑有限公司 國藥集團化學(xué)試劑有限公司 汕頭市西隴化工廠有限公司 汕頭市西隴化工廠有限公司 上海久億化學(xué)試劑有限公司 汕頭市西隴化工廠有限公司 賽多利斯科學(xué)儀器( 北京) 有限公司 上海辰華儀器公司 江蘇姜堰市華揚水準儀器廠 s i ( 10 0 ) 上磁控濺射 昆山超聲儀器有限公司 上海梭倫信息科技有限公司 美國p e r k i n e l m e r 公司 2 2 2 1 金電極的化學(xué)修飾 1 金電極的預(yù)處理 鍍金電極用乙醇溶液( c 2 h 5 0 h ：h 2 0 = l ：1 ) 和去離子水清洗電極表面，分別超聲 5m i n ，然后依次用去離子水、無水乙醇和去離子水充分洗凈，分別超聲5m i n 。接著 將金電極置于“p i r a n h a 溶液( 濃h 2 s 0 4 ：h 2 0 2 = 3 ：1 ) 中浸泡2m i n ，再依次使用無 水乙醇、去離子水沖洗，分別超聲處理5m i n 。 2 金電極的電化學(xué)活化 采用標準的三電極系統(tǒng)對表面清潔處理的鍍金電極進行電活化。以清洗干凈的金 電極為工作電極，鉑絲電極為對電極，飽和甘汞電極( s c e ) 為參比電極，以含有0 0 5m 1 0 墅j ：堡塞受坌王查墼些豎墮壁壁鲞笪苧絲絲型鹽 h 2 s 0 4 作為電解質(zhì)溶液，使用前用n 2 起泡5 r a i n ，除去溶解氧，掃描電位范圍為一05 v 1 5v ( 文中所有電極的電位均相對于s c e ) ，掃描速率為5 0m v s ，反復(fù)掃描直至 獲得重復(fù)性高的掃描曲線。實驗在室溫下進行，金電極在使用前需經(jīng)去離子水漂洗， 高純度n z 吹干。 3 金電極表面的層層組裝 a u - - c y s 的制備：將經(jīng)過電化學(xué)活化的鍍金電極用無水乙醇漂洗，吹干后快速浸 泡于n 2 飽和的純巰乙胺( 1 t ) 乙醇溶液中，室溫下避光浸泡8h ，得到胺基s a m 修 飾電極，記為a u - - c y s 。 a u c y s p e g d a 的制各：將a u - - c y s 電極浸泡在1 0v v 的p e g d a 溶液中， 以n a o h 作為m i c h a e l 加成的催化劑，濃度為1 0 0m m ，室溫下避光振蕩浸泡2h ，得 到p e g d a 大分子修飾的電極記為a u - - c y s - - p e g d a 。取出洗凈后，備用。 圖2i 金電撮嵌面的層層紐裝示意圖 2 222 金電極的接觸角表征 試樣電極在使用前需經(jīng)去離子水漂洗，高純度n 2 吹干，然后置于s l 2 0 0 系列潤 濕角測定儀的樣品臺上進行靜態(tài)接觸角測試，測試條件：溫度為2 3 2 ，濕度 為5 0 5 ，la r m 。采用懸滴法，用微量進樣器把約2 此超純水滴在試樣電極的 表面，在空氣中靜置平街lr a i n ，待固、液、氣三相交界處三個界面張力平衡后進行 測試。采用c a s t 20 軟件程序按照8 乜法( 量高法) 分析所測的靜態(tài)接觸角值。對每個 試樣電極在3 個分離點進行平行實驗，結(jié)果以平均值標準差表示。 飛釜 一盼一 第2 章分子修飾金電極的制各 碩上論文 2 2 2 3 金電極的x p s 表征 試樣電極：a u c y s 和a u c y s p e g d a 分別進行x p s 表征，用以分析鍍金電 極在不同階段修飾后表面的化學(xué)組成。測試在p h l 5 3 0 0x 射線光電子能譜儀上進行， 以m gk a ( h v = 1 2 5 3 6e v ) 為激發(fā)源，功率為2 4 0w 。 2 2 2 4 金電極的電化學(xué)表征 使用傳統(tǒng)三電極系統(tǒng)進行化學(xué)修飾金電極的循環(huán)伏安( c v ) 和交流阻抗( e i s ) 測 試，以試樣電極為工作電極，鉑電極為對電極，飽和甘汞電極為參比電極。實驗在室 溫下進行，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 的混合溶液作為 電解液，電位范圍為一0 4v 0 8v ，掃描速率為5 0m v s 。使用前用n 2 起泡5m i n ， 以除去電解液中的溶解氧。 2 3 結(jié)果表征與分析 2 3 1 接觸角表征分析 潤濕是指在固體表面上一種液體取代另一種與之不相混溶的流體( 氣體或另一液 體) 的過程。潤濕角是分子修飾電極表面的重要宏觀性質(zhì)之一，它取決于界面自由能， 反映相界面分子間作用力的強弱，可用接觸角來定量表示，它是液氣界面與固體表 面之間( 包括液體相部分) 的夾角。因此，可根據(jù)試樣表面潤濕性的變化，推測出試樣 表面的分子層結(jié)構(gòu)。 如圖2 2 所示，同一溶劑( 超純水) 在不同試樣電極表面具有不同的形狀，即呈現(xiàn) 不同的接觸角，反映了不同的相界面分子間作用力。由于光滑固體表面的潤濕性僅取 決于表面最外層幾個a 的結(jié)構(gòu)和組成 7 9 1 ，故接觸角對分子鏈末端基團的性質(zhì)變化非 常敏感。對于裸金電極( a ) ，經(jīng)過表面清潔處理后，由于金的親水性相對較差，故水不 能很好在金電極表面鋪展；巰乙胺通過自組裝在金電極表面形成單分子層后，分子鏈 最外端的- - n h 2 基團展現(xiàn)了很好的親水性，通過水合作用提高了水分子在金電極表面 的鋪展性；單分子膜金電極進一步用p e g d a 大分子修飾后，相界面分子間的作用力 隨即發(fā)生了變化。雖然p g e d a 大分子末端乙烯基屬于烷烴類，呈疏水性，但由于 p e g d a 大分子鏈段的無規(guī)運動，使親水性較好的p e g 重復(fù)單元一c h 2 一c h 2 一o 一 暴露在外端，改善了水分子在電極表面的鋪展性。此外，可能由于p e g d a 大分子的 空間位阻效應(yīng)，巰乙胺的一n h 2 沒有完全與p e g d a 大分子反應(yīng)，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 電極( c ) 的親水性介于裸a u ( a ) ，a u - - c y s ( b ) 之 間。 1 2 墅! ：堡蘭壘鹽z 查墼墼些墮壁塑墨蘭苧絲z e 芝叢 a l b ll c ) 凹2 2 試樣屯極的靜態(tài)接觸角洲囂幽片：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 法對c c d 采集的接觸角圖片進行擬合分析，所得的接觸角數(shù)據(jù)如表2 1 。 測試所用的液滴體積為2 兒，故可忽略地心引力對水滴形狀的影響，認為水滴為標 準圓的一部分唧i 。如圖23 所示，將滴滿足要求的液滴滴在固體表面上，出于液體 本身的表面張力和固體的表面自由能的作用，液體會趨向于形成一個球冠。分析液滴 球冠的直徑( 2 ，) 和球冠的高度( ) ，就可用如下計算公式計算出接觸角目的值： t 柚函= b r 口= 2 吼= 2 x w , b - 1 ( h r ) 其中：口為接觸角；h 為液滴球冠的高；r 為液滴球冠底端圓的半徑。直徑( 2 一和球冠 的高度傭，我們可以通過分析影像側(cè)視圖中左右兩點之間的寬度和弧形的高度得到。 酗2 30 2 法計算接觸角的原理 表2i 不同化學(xué)修飾電極的接觸角 生堡! ! ! 二! 坐! ! 二! 坐二! ! ! 墜 接觸角( 。) 4 98 0 23 0 3 03 0 71 64 13 8 52 6 2 3 2x p s 表征及分析 電子能譜分析是一種研究物質(zhì)表層元索組成與離子