新型多糖类水凝胶的设计、制备及生物医学应用

发布时间：2017-03-23 02:21

  本文关键词：新型多糖类水凝胶的设计、制备及生物医学应用，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：索拉胶是一种全新的线性(1→3)-β-D-葡聚糖,分子中的吡喃葡聚糖主要以β构型连接,其中含有少量的α构型,我们实验室于2010年报道了这种全新的结构。索拉胶由下列的重复单元组成：→3)-β-D-Glcp-(1→3)-[β-D-Glcp-(1→3)-β-D-Glcp-(1→3)]3-α-D-Glcp-(1→3)-a-D-Glcp-(1→。作为一种微生物p-葡聚糖,索拉胶具有极佳的流变性能以及生物活性包括抗氧化性以及食用安全性,它能够在食品领域作为食物添加剂而使用,也能够在医药行业作为治疗以及预防便秘的药物而使用。除此之外,索拉胶具有优良的亲水性,其分子中含有的大量羟基可以进行化学改性。这些特性暗示着索拉胶也可以在水凝胶制备方面进行应用。基于此,本论文利用索拉胶制备了一系列的水凝胶,并探究了这些凝胶的理化性质包括热稳定性、形貌、溶胀能力、机械性能等,也考察了它们的生物相容性例如降解性能以及胞外毒性。最后研究了凝胶的细胞粘附性能以及药物释放行为,以此来开发索拉胶多糖类水凝胶在组织工程以及药物释放等生物医学领域的应用潜能。论文的主要内容以及结果如下：(1)新型索拉胶/聚(N,N-二甲基丙烯酰胺-co-甲基丙烯酸羟乙酯)半互穿聚合物网络水凝胶(Salecan/poly(DMAA-co-HEMA) semi-IPN水凝胶)的设计与制备Poly(DMAA-co-HEMA) (PDH)水凝胶的断裂应变数值过低、孔结构过于致密而且不可降解,限制了其在组织工程领域的应用。利用互穿聚合物网络这一策略,在PDH网络中加入索拉胶,设计并合成了一系列新型的Salecan/PDH semi-IPN水凝胶,将“高应变性”理念引入到索拉胶水凝胶体系中,用以解决上述问题。索拉胶的加入明显改善了凝胶的孔结构：Salecan/PDH semi-IPN水凝胶展示了连续均匀的多孔结构,孔径在6～41μm的范围内分布。压缩性能测试证明了semi-IPN水凝胶具有理想的机械性能,压缩模量在13.3～90.5 kPa范围内分布。PDH水凝胶的断裂应变数值低于50%,索拉胶的引入解决了这一弊端。索拉胶具有极好的流变性能,能够更有效地耗损形变能,随着索拉胶含量的提高,样品的应变数值可从71.1%升高到88.8%。在PBS水溶液中,Salecan/PDH semi-IPN水凝胶可以降解,索拉胶在降解过程中起到重要作用,其含量可以调控降解速率。胞外毒性分析证明了这些semi-IPN水凝胶对COS-7细胞完全无毒,材料体现出了良好的生物相容性,很有希望在组织工程领域获得应用。(2)孔径可控的索拉胶／聚丙烯酰胺半互穿聚合物网络水凝胶(Salecan/PAAm semi-IPN水凝胶)用于细胞粘附纯PAAm水凝胶由于本身致密的网络结构和较低的亲水性,使得细胞不能在其表面进行粘附,在组织工程的应用受到极大限制。通过互穿聚合物网络技术与冷冻聚合技术的联合使用,将“孔径可控”机制引入到索拉胶为基础的水凝胶体系中,设计并制备出Salecan/PAAm semi-IPN水凝胶,很好地解决了上述问题。通过扫描电子显微镜的观察,发现所有的semi-IPN水凝胶都展示了连续的并且分布均匀的多孔形态,孔径分布在5～150μm,分布范围广阔,超过了目前已报道的一些多糖类semi-IPN水凝胶的孔径分布范围。孔径大小可由制备温度以及索拉胶与PAAm的用量比进行精确调控。压缩性能测试证明了semi-IPN水凝胶具有良好的机械性能,索拉胶含量的增加极大地提高了应变数值。冻凝胶体现了极佳的形状恢复性能,可以压缩至100%的形变,凝胶本身没有裂痕出现。胞外毒性实验证明了所有凝胶样品对于COS-7细胞是无毒的。最重要的是,索拉胶的引入显著改善了细胞粘附情况,COS-7细胞可以很好地在semi-IPN水凝胶表面生长。Salecan/PAAm semi-IPN水凝胶也因此体现了在组织工程领域应用的潜能。(3)pH敏感型索拉胶-g-聚丙烯酸水凝胶(Salecan-g-PAA水凝胶)用作药物载体尽管PAA水凝胶具备理想的pH敏感性,但它单独用作药物载体时,药物释放量过低且存在药物突释现象。为解决这一问题,将丙烯酸(AA)单体接枝共聚到索拉胶分子链上,设计出了Salecan-g-PAA水凝胶,成功地将pH响应特性引入到索拉胶类药物载体中,用于抗癌药物阿霉素的释放。溶胀行为测试发现凝胶的吸水率依赖于周围环境的pH值、盐的类型、盐溶液的浓度、索拉胶以及BAAm的用量。凝胶在pH 1.2的环境下处于收缩状态,而在pH 6.86的条件下则达到最大的溶胀数值。阿霉素的负载率较高,可达69.4%。重要的是,材料展示了pH可控的、延迟的释放过程。SPA2在pH 7.4的PBS溶液中,24小时仅释放了12.3%的阿霉素,而在pH4.0的PBS溶液中,前6小时的释放量已经超过40%。索拉胶的加入极大地提高了阿霉素的释放量,24小时后,SPA3的释放量可达68.1%。胞外毒性测试证明了所有空白凝胶对于A549细胞是无毒的,由负载药物凝胶释放出的阿霉素保持了较高的生物活性,具有较强的癌细胞杀伤力。这些实验结果证明Salecan-g-PAA水凝胶很有希望用作抗癌药物载体。(4)氧化还原/pH双重响应的可降解型索拉胶-g-SS-聚(衣康酸-co-甲基丙烯酸羟乙酯)水凝胶(Salecan-g-SS-poly(IA-co-HEMA)(PIH)水凝胶)用作药物载体在索拉胶、衣康酸(IA)以及甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)体系中引入氧化还原降解机制的二硫键交联剂N,N’-双(丙烯酰)胱胺(BAC),通过对索拉胶分子链进行修饰,设计并合成了氧化还原/pH双重响应的可降解型Salecan-g-SS-PIH水凝胶,用作药物载体。与使用BAAm作为交联剂的传统接枝聚合物水凝胶相比,BAC的加入使得材料具备了可降解性,更加符合药物载体的要求。溶胀的凝胶具有极好的包裹能力,并可与带正电荷的阿霉素产生静电作用力,吸附效率可达76.9%。体外释放实验展示了延迟、可控以及pH敏感的释放行为,SPIH2在pH 6.8以及7.4的PBS溶液中,48小时仅释放了17.7%以及13.5%的阿霉素,而在pH 3.2的PBS溶液中,相同时间的释放量已经达到64.7%。索拉胶含量最高的SPIH3,由于其较高的吸水率(30.2g/g)以及较大的孔径(82.6μm),48小时的释放量为71.2%。所有空白凝胶对于A549以及COS-7细胞是无毒的,而负载药物凝胶释放出的阿霉素完全进入了A549细胞,保持了较高的生物活性。10 μg/mL的释放液可以杀死将近70%的A549细胞。在40 mM二硫苏糖醇的PBS溶液中,二硫键完全断裂,使得凝胶完成降解,降解周期为8天,长于药物释放周期(2天)。基于此可以看出,在以索拉胶为基础的凝胶系统中引入氧化还原性降解机制的二硫键是设计安全、高效抗癌药物载体的有效策略。(5)新型索拉胶／聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-co-N-(羟甲基)丙烯酰胺)超吸水性水凝胶(Salecan/poly(AMPS-co-HMAA) superabsorbent水凝胶)的设计与制备Poly(AMPS-co-HMAA) (PAH)水凝胶吸水性较强,但是不可降解,使其在环境工程等领域的应用受到极大限制。为解决这一问题,利用PAH作为基质网络,索拉胶作为线性分子与其互穿制备了Salecan/PAH semi-IPN水凝胶,同时将“超吸水性”概念引入到索拉胶为基础的水凝胶当中。材料具备pH及盐敏感性,吸水率按照下列顺序降低：一价的K+二价的Ca2+三价的Al3+。随着索拉胶加入到PAH网络中,所有的semi-IPN超吸水性水凝胶都展示了极高的吸水率,超过了目前已报道的一些多糖水凝胶的吸水率数值。索拉胶含量最高的SPAH3展示了82.7g/g的吸水率,而交联密度最高的SPAH6则具备极佳的保水能力。降解实验证实了Salecan/PAH semi-IPN超吸水性水凝胶因为索拉胶的引入而可以降解,降解速率也随着索拉胶含量的增加而变大,索拉胶含量最高的SPAH3在69天内剩余量仅为1.8%。这些实验结果使材料在环境领域应用的可能性大大提高。
【关键词】：索拉胶 水凝胶 高应变性 孔径可控 氧化还原/pH敏感 可降解 超吸水性
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ427.26
【目录】：

• 摘要5-8
• Abstract8-17
• 注释表17-18
• 1 绪论18-44
• 1.1 天然多糖18-20
• 1.1.1 天然多糖概述18
• 1.1.2 索拉胶18-20
• 1.2 水凝胶20-22
• 1.2.1 水凝胶的定义及分类20-21
• 1.2.2 水凝胶的制备21-22
• 1.3 多糖类水凝胶的研究现状22-29
• 1.3.1 多糖类互穿聚合物网络水凝胶22-24
• 1.3.2 多糖类接枝共聚水凝胶24-25
• 1.3.3 多糖类大孔冻凝胶25-26
• 1.3.4 多糖类智能水凝胶26-29
• 1.4 多糖类水凝胶在生物医药领域的应用29-32
• 1.4.1 多糖类水凝胶在组织工程领域的应用29-31
• 1.4.2 多糖类水凝胶在药物释放领域的应用31-32
• 1.5 论文的研究目的及主要研究内容32-34
• 1.5.1 研究目的32
• 1.5.2 主要研究内容32-34
• 参考文献34-44
• 2 索拉胶/聚(N,N-二甲基丙烯酰胺-co-甲基丙烯酸羟乙酯)半互穿聚合物网络水凝胶44-64
• 2.1 引言44
• 2.2 实验部分44-48
• 2.2.1 原料与仪器44-45
• 2.2.2 Salecan/PDH semi-IPN水凝胶的制备45-46
• 2.2.3 Salecan/PDH semi-IPN水凝胶的结构表征46
• 2.2.4 热重分析(TGA)表征46
• 2.2.5 溶胀行为测试46-47
• 2.2.6 保水能力测试47
• 2.2.7 形貌表征47
• 2.2.8 动态力学性能测试47
• 2.2.9 压缩性能测试47
• 2.2.10 体外降解实验47-48
• 2.2.11 胞外毒性评估48
• 2.3 结果与讨论48-57
• 2.3.1 Salecan/PDH semi-IPN水凝胶的结构分析48-51
• 2.3.2 热稳定性分析51
• 2.3.3 溶胀行为分析51-53
• 2.3.4 保水能力分析53-54
• 2.3.5 SEM形貌观察54
• 2.3.6 动态力学性能分析54-55
• 2.3.7 压缩性能分析55-56
• 2.3.8 体外降解以及机理分析56
• 2.3.9 胞外毒性评估56-57
• 2.4 本章小结57-58
• 参考文献58-64
• 3 孔径可控的索拉胶/聚丙烯酰胺半互穿聚合物网络水凝胶的制备及细胞粘附性能研究64-88
• 3.1 引言64-65
• 3.2 实验部分65-68
• 3.2.1 原料与仪器65
• 3.2.2 Salecan/PAAm semi-IPN水凝胶的制备65-66
• 3.2.3 Salecan/PAAm semi-IPN水凝胶的结构表征66-67
• 3.2.4 热重分析(TGA)表征67
• 3.2.5 形貌表征67
• 3.2.6 溶胀行为测试67
• 3.2.7 压缩性能测试67
• 3.2.8 降解实验67
• 3.2.9 细胞实验67-68
• 3.3 结果与讨论68-80
• 3.3.1 Salecan/PAAm semi-IPN水凝胶的制备机理68-69
• 3.3.2 Salecan/PAAm semi-IPN水凝胶的结构分析69-71
• 3.3.3 热稳定性分析71-72
• 3.3.4 SEM孔结构观察72-73
• 3.3.5 溶胀行为测试73-76
• 3.3.6 压缩性能分析76-78
• 3.3.7 体外降解以及机理分析78-79
• 3.3.8 细胞实验79-80
• 3.4 本章小结80-81
• 参考文献81-88
• 4 pH敏感型索拉胶-g-聚丙烯酸水凝胶的设计、制备及药物释放行为研究88-112
• 4.1 引言88
• 4.2 实验部分88-93
• 4.2.1 原料与仪器88-89
• 4.2.2 Salecan-g-PAA水凝胶的制备89-90
• 4.2.3 Salecan-g-PAA水凝胶的结构表征90-91
• 4.2.4 热重分析(TGA)表征91
• 4.2.5 溶胀行为测试91
• 4.2.6 保水能力测试91
• 4.2.7 形貌表征91
• 4.2.8 动态力学性能测试91
• 4.2.9 药物释放实验91-92
• 4.2.10 细胞实验92-93
• 4.3 结果与讨论93-103
• 4.3.1 Salecan-g-PAA水凝胶的制备机理93
• 4.3.2 Salecan-g-PAA水凝胶的结构分析93-95
• 4.3.3 热稳定性分析95-96
• 4.3.4 溶胀行为研究96-98
• 4.3.5 保水能力分析98
• 4.3.6 SEM形貌分析98-99
• 4.3.7 动态力学性能分析99-100
• 4.3.8 体外释放实验以及释放机理分析100-102
• 4.3.9 细胞实验102-103
• 4.4 本章小结103-105
• 参考文献105-112
• 5 氧化还原/pH双重响应的可降解型索拉胶-g-SS-聚(衣康酸-co-甲基丙烯酸羟乙酯)水凝胶112-135
• 5.1 引言112-113
• 5.2 实验部分113-117
• 5.2.1 原料与仪器113
• 5.2.2 Salecan-g-SS-PIH水凝胶的制备113-114
• 5.2.3 Salecan-g-SS-PIH水凝胶的结构表征114-115
• 5.2.4 热重分析(TGA)表征115
• 5.2.5 形貌表征115
• 5.2.6 溶胀行为测试115
• 5.2.7 药物释放实验115-116
• 5.2.8 细胞实验116-117
• 5.2.9 体外降解实验117
• 5.3 结果与讨论117-128
• 5.3.1 Salecan-g-SS-PIH水凝胶的制备117
• 5.3.2 Salecan-g-SS-PIH水凝胶的结构分析117-119
• 5.3.3 热稳定性分析119-121
• 5.3.4 SEM分析121
• 5.3.5 溶胀行为研究121-122
• 5.3.6 保水能力分析122-123
• 5.3.7 释放行为以及释放机理分析123-125
• 5.3.8 细胞实验125-127
• 5.3.9 体外降解以及机理分析127-128
• 5.4 本章小结128-129
• 参考文献129-135
• 6 索拉胶/聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-co-N-(羟甲基)丙烯酰胺)超吸水性水凝胶135-151
• 6.1 引言135-136
• 6.2 实验部分136-139
• 6.2.1 原料与仪器136
• 6.2.2 Salecan/PAH semi-IPN水凝胶的制备136-137
• 6.2.3 Salecan/PAH semi-IPN水凝胶的结构表征137-138
• 6.2.4 热重分析(TGA)表征138
• 6.2.5 溶胀行为测试138
• 6.2.6 保水能力测试138
• 6.2.7 形貌表征138-139
• 6.2.8 降解实验139
• 6.3 结果与讨论139-146
• 6.3.1 Salecan/PAH semi-IPN水凝胶的结构分析139-141
• 6.3.2 热稳定性分析141-142
• 6.3.3 pH、盐敏感的溶胀行为测试142-143
• 6.3.4 保水能力研究143-144
• 6.3.5 SEM形貌分析144-145
• 6.3.6 体外降解分析145-146
• 6.4 本章小结146-147
• 参考文献147-151
• 7 结论151-155
• 7.1 要结论151-154
• 7.2 本课题创新点154
• 7.3 研究展望154-155
• 致谢155-156
• 附录156

【共引文献】

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