PLLA膜基質(zhì)表面(PEIBSA)n層層靜電組裝行為及性能研究

1、LOGOPLLA膜基質(zhì)表面膜基質(zhì)表面(PEI/BSA)n層層層靜電組裝行為及性能研究層靜電組裝行為及性能研究Fabrication and Characterization of Layer-by-Layer Electrostatic Self-Assembly of (PEI/BSA)n on the PLLA Substrates肖琳琳肖琳琳 指導(dǎo)老師：全大萍指導(dǎo)老師：全大萍 Company LogoPLLA膜基質(zhì)表面膜基質(zhì)表面(PEI/BSA)n層層靜電組裝行為及性能研究層層靜電組裝行為及性能研究引引 言言1實實 驗驗2結(jié)結(jié) 論論3致致 謝謝4Company Logo1. 1. 引引

2、言言v 生物醫(yī)學(xué)工程（Biomedical Engineering，BME）是一門集生物學(xué)醫(yī)學(xué)和工程學(xué)于一體的邊緣交叉學(xué)科，生物醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展不僅加速了生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的現(xiàn)代化，也促使了材料科學(xué)的新進(jìn)展。v 生物材料（Biomaterial），又稱為生物醫(yī)用材料（Biomedical Material）。美國國家衛(wèi)生研究所（National Institute of Health Consensus Development Conference）將其定義為“能作為一個系統(tǒng)的整體或部分使用一段時間，達(dá)到治療、增加或替換身體的一些組織、器官并恢復(fù)功能目的的任何物質(zhì)或物質(zhì)的組合，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）是指材料與血液接觸后，不引起血漿蛋白的變性，不破壞血液的有效成分，不導(dǎo)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須遵守的最高準(zhǔn)則。都必須遵守的最高準(zhǔn)則。 組織相容性（Tissue-Compatibility）是指材料與活體組織及體液接觸后，不引起細(xì)胞組織的功能下降，組織不發(fā)生炎癥、癌變以及排異反應(yīng)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 金屬和合金金屬和合金 陶陶 瓷瓷 生物高分子材料生物高分子

4、材料天然無機(jī)生物材料天然無機(jī)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，無毒，具有良好的生物相容性，可生物分解吸收，已被美國食品醫(yī)藥局（FDA）批準(zhǔn)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細(xì)胞親和性成為制約PLLA作為理想組織工程支架材料的主要障礙之一。材料與生物體的相互作用主要集中在界面，必須對其進(jìn)行表面改性。左旋聚乳酸左旋聚乳酸（PLLA ）結(jié)構(gòu)規(guī)則，其降解產(chǎn)物乳酸在自然狀態(tài)下主要存在于體內(nèi)各器官中，較易由合成得到。HOCH3COOHHOHCH3HOOCHL-LAD-LAOOOOCH3HHH3COOOOHCH3H3

5、CHOOOOCH3HH3CHLLADLAMLA1. 1. 引引 言言Company Logo1. 1. 引引 言言材料表面的親疏水性材料表面的親疏水性 材料表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)材料表面的化學(xué)結(jié)構(gòu) 材料表面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)材料表面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 材料表面的活性因子材料表面的活性因子 材料表面的電荷狀況材料表面的電荷狀況 影響高分子影響高分子材料相容性材料相容性的表面性質(zhì)的表面性質(zhì)Company Logo1. 1. 引引 言言 Company Logo1. 1. 引引 言言v 層層自組裝技術(shù)（Layer-by-Layer Self-Assemble Technique，L-b-L） 基于聚電解質(zhì)陰陽離子之間電荷相

6、互作用的一種超分子組裝技術(shù)，該技術(shù)的驅(qū)動力不局限于靜電相互作用，也可以是氫鍵、電荷轉(zhuǎn)移和疏水作用力等，多種作用的協(xié)同效應(yīng)能夠大大提高膜的穩(wěn)定性。 1 2 3 4制備條件溫和，可在常溫水溶液中進(jìn)行，能保持生物分子生物活性的天然構(gòu)象。 工藝簡單，通過簡單的交替浸涂即可實現(xiàn)材料表面納米、亞微米尺度的有規(guī)膜層。 適用范圍廣，組裝原料可以是蛋白質(zhì)、DNA等帶電荷的天然生物分子，也可以是合成的聚電解質(zhì) 。適用基體材料多，對基體材料體型結(jié)構(gòu)適應(yīng)力強(qiáng) 。優(yōu)優(yōu)點點Company Logo1. 1. 引引 言言Figure 1 層層靜電自組裝過程示意圖 Company Logo1. 1. 引引 言言一，利用PEI

7、對PLLA表面進(jìn)行大分子胺解活化，引入電荷，實現(xiàn)層層靜電自組裝過程；二，由PEI引入氨陽離子，能夠有效地增加表層的親水性，提高與蛋白質(zhì)肽鏈官能團(tuán)的相互作用。從多角度來促進(jìn)細(xì)胞的生長與增殖；三，利用BSA可以形成生物惰性表面的性質(zhì)，抑制凝血，增強(qiáng)材料的血液相容性。v 本文目的本文目的：以BSA為模型蛋白，研究陽離子聚合物PEI與BSA在PLLA基質(zhì)膜表面組裝的過程（組裝過程如Figure 2所示） ，實現(xiàn)對PLLA的表面改性。同時，為進(jìn)一步實現(xiàn)在材料表面組裝質(zhì)粒DNA，實現(xiàn)原位基因控制釋放并轉(zhuǎn)染細(xì)胞提供科學(xué)依據(jù)。Figure 2 PLLA表面靜電自組裝（PEI/BSA）n示意圖 Company

8、Logo1. 1. 引引 言言v意義及創(chuàng)新點：意義及創(chuàng)新點： 1. 聚乳酸是目前最有潛力的生物高分子材料之一，對其進(jìn)行表面改性，擴(kuò)大其適用性意義重大。在PLLA膜基質(zhì)表面層層靜電自組裝（PEI/BSA）n還未見報導(dǎo)，因而本文具有很強(qiáng)的實際意義。 2.通過簡單的電解質(zhì)相互作用在材料表面構(gòu)建負(fù)載模型蛋白的多層體系，為進(jìn)一步構(gòu)建原位基因緩釋體系提供科學(xué)依據(jù)，在學(xué)術(shù)思路上具有很強(qiáng)的創(chuàng)新性 。Company Logo鹽酸鹽酸、乙、乙醇預(yù)處理醇預(yù)處理2. 2. 實實 驗驗2.1.1 PLLA基體膜的制備基體膜的制備 8mg/mLPLLA的的CH2Cl2溶液溶液澆注靜置澆注靜置24h成膜成膜PLLA基基體膜

9、成形體膜成形Company Logo胺解活化后胺解活化后的的PLLA表面表面2. 2. 實實 驗驗2.1.2 PEI胺解胺解PLLA基體表面基體表面 50乙醇水乙醇水溶液（溶液（15min）超純水漂洗N2流干燥1mg/mLPEI水水溶液（溶液（20min）超純水漂洗N2流干燥Company Logo2. 2. 實實 驗驗2.1.3 層層靜電自組裝制備（層層靜電自組裝制備（PEI/BSA）n復(fù)合膜復(fù)合膜 超純水漂洗N2流干燥超純水漂洗 N2流干燥1mg/mLPEI水水溶液（溶液（20min）1mg/mLBSA水水溶液（溶液（20min）循環(huán)此過程循環(huán)此過程Company Logo2. 2. 實實

10、 驗驗2.2 組裝膜性能測試組裝膜性能測試（PEI/BSA）n組裝膜與（組裝膜與（CS/BSA）n組裝膜的穩(wěn)定性比較組裝膜的穩(wěn)定性比較紫外（紫外（UV）研究組裝膜在類體）研究組裝膜在類體內(nèi)環(huán)境中的溶解擴(kuò)散過程內(nèi)環(huán)境中的溶解擴(kuò)散過程紫外（紫外（UV）分析組裝過程）分析組裝過程中中BSA增長情況增長情況表面接觸角（表面接觸角（Contact Angle） X射線光電子能譜（射線光電子能譜（XPS） Company Logo2. 2. 實實 驗驗2.2.1 X射線光電子能譜（射線光電子能譜（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. 實實 驗驗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可見，樣品(PEI/BSA)0僅出現(xiàn)C1s 和O1s的能譜峰，樣品(PEI/BSA)0.5則出現(xiàn)N1s的能譜峰，證實PLLA表面胺解發(fā)生。2.2.1 X射線光電子能譜（射線光電子能譜（XPS） 樣品(PEI/BSA)1中N1s能譜峰增強(qiáng)，并出現(xiàn)S2p的峰，說明胺解后帶正電荷的PLLA表面成功組裝吸附BSA。Company Logo2. 2. 實實 驗驗 (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射線光電子能譜（射線光電子能譜（XPS） 純PLLA膜表面C1s可分解為三個譜峰，PLLA經(jīng)PEI胺解活化后，新出現(xiàn)CC-N以及C-CONH-譜峰。292290288286284282CC=Obinding energy, eVCC-OCC-HPLLA292290288286284282CC-NC-CONH-CC-HCC-OCC=Obinding energy, eVPEI/PLLACompany Logo2. 2. 實實 驗驗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射線光電子能譜（射線光電子能譜（XPS） Table 2顯示：胺解活化后，表征CC=O和CC-O的譜峰相對含量減少，CC-H相對含量明顯增大。XPS結(jié)果證實PEI胺解PLLA后，表面主要由帶正電荷的PEI組成，為進(jìn)一步組裝吸附帶相反電荷的BSA奠定基礎(chǔ)。 Company Logo2. 2. 實實 驗驗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膜基質(zhì)表面接觸角明顯下降，組裝過程中表面接觸角變化并不明顯。2.

16、2.2 表面接觸角（表面接觸角（Contact Angle） 另外，接觸角隨層數(shù)的交替變化，這證實了靜電自組裝的“層層交替增長”過程。Company Logo2. 2. 實實 驗驗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.隨著組裝層數(shù)的增加，PLLA表面BSA含量逐漸增大。2.2.3 組裝過程組裝過程BSA增長

17、情況增長情況 前三個雙層BSA的平均吸附量要大于三個雙層之后BSA的平均吸附量。這是由于不光滑的表面以及分布不均的電荷更有利于BSA的吸附。Company Logo2. 2. 實實 驗驗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隨時間的延長，膜表面BSA濃度通過溶解擴(kuò)散逐漸下降，但速率逐漸變小，在大約150h左右釋放完全，由

18、此說明該組裝膜對BSA具有一定的緩釋功能。2.2.4 自組裝膜的溶解擴(kuò)散過程自組裝膜的溶解擴(kuò)散過程 Company Logo2. 2. 實實 驗驗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(穩(wěn)定后BSA吸收強(qiáng)度-洗脫時刻BSA吸收強(qiáng)度)/穩(wěn)定后BSA吸收強(qiáng)度).兩種組裝膜的洗脫速率都是由大變小，這是因為表層的BSA易于內(nèi)層被洗脫。2.2.5 （PEI/BSA）n組裝膜與（組裝膜與（CS/BSA）n組裝膜的穩(wěn)定性比較組裝膜的穩(wěn)定性比較 (CS/BSA)n的洗脫速率始終要大于(PEI/BSA)n， (PEI/BSA)n膜的穩(wěn)定性要高于(CS/BSA)n膜，這是因為CS在水中的溶解性較差，影響它的電性表達(dá)，從而組裝膜的穩(wěn)定性下降。Com