【文章內(nèi)容簡介】 愈性水凝膠。該水凝膠的網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)點(diǎn)為亞胺鍵，由于水凝膠中大量存在的水分和殼聚糖溶解時(shí)所帶的少量酸，使得體系當(dāng)中亞胺鍵的平衡常數(shù)較低【43，44】，因此存在大量的分子間和分子內(nèi)的相互交換而使得整個(gè)水凝膠具有動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)【45】，可以在不借助外力條件下實(shí)現(xiàn)快速愈合。在水凝膠被打孔后，界面提供的微小能量即使水凝膠產(chǎn)生流動(dòng)相，一段時(shí)間后孔洞消失，界面變得模糊，材料完成自愈合(圖8)。圖8 殼聚糖動(dòng)態(tài)水凝膠的自愈性和多響應(yīng)性此外，亞胺鍵的動(dòng)態(tài)特性使得水凝膠在宏觀上對(duì)外界環(huán)境具有多重響應(yīng)的特征，并可在外力方向上產(chǎn)生自適性的調(diào)節(jié)。如體系中加入維生素B6衍生物如鹽酸吡哆醛，由于吡哆醛與殼聚糖上的氨基具有更強(qiáng)的結(jié)合能力，因此原有的交聯(lián)點(diǎn)被新的動(dòng)態(tài)平衡取代，使得水凝膠崩解變成溶膠，類似的溶膠凝膠變化也可以通過加入其他生物活性物質(zhì)如賴氨酸等富含氨基的小分子調(diào)控動(dòng)態(tài)平衡實(shí)現(xiàn)。此外，可以加入木瓜蛋白酶等對(duì)殼聚糖骨架進(jìn)行降解，造成水凝膠的解體。 不同的刺激響應(yīng)調(diào)控溶膠凝膠變化,其速率是不同的,使得該水凝膠具有可控緩釋的特性,并被用于藥物模型的控制釋放研究。Zhang等初步研究了小分子藥物模型羅丹明B和大分子蛋白溶菌酶在不同條件下的釋放曲線，結(jié)果表明在不同的外界刺激條件下,藥物模型分子表現(xiàn)出不同的釋放行為,具有可控釋放的特點(diǎn)。值得一提的是,大分子蛋白藥物,即溶菌酶在釋放后活性幾乎不受影響,為這一水凝膠在后續(xù)可能的在生物醫(yī)用材料方面的應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。對(duì)于開發(fā)生物醫(yī)用的水凝膠,良好的生物相容性是不可或缺的,細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明,該材料生物相容性極佳。在后續(xù)的試驗(yàn)中,Yang等【46】實(shí)現(xiàn)了在這一水凝膠中細(xì)胞的三維培養(yǎng)【47,48】。動(dòng)態(tài)水凝膠作為進(jìn)行細(xì)胞三維培養(yǎng)的材料有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前大部分的細(xì)胞培養(yǎng)都是在二維水平上進(jìn)行的。而在生物組織之中,細(xì)胞是以三維形式分布的,因此,三維細(xì)胞培養(yǎng)也是目前細(xì)胞培養(yǎng)的新趨勢(shì)。為了更好地模擬細(xì)胞生存環(huán)境,就要求在體外培養(yǎng)細(xì)胞時(shí)也能具有類似于體內(nèi)的三維環(huán)境。生物相容性極好的水凝膠就是一種非常具有應(yīng)用前景的細(xì)胞三維培養(yǎng)材料。同時(shí),動(dòng)態(tài)化學(xué)鍵的存在使得水凝膠內(nèi)的細(xì)胞本身處于一種動(dòng)態(tài)的環(huán)境之中,體內(nèi)三維環(huán)境的變化會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞生長狀況及形態(tài)學(xué)的改變,而動(dòng)態(tài)環(huán)境有助于細(xì)胞相互間的接觸傳遞信息以及與環(huán)境的互動(dòng)等。在動(dòng)態(tài)水凝膠中,相對(duì)于二維培養(yǎng)環(huán)境可以更好地模擬這種變化,在更接近生理環(huán)境的狀態(tài)下培養(yǎng)并觀察細(xì)胞(圖9)。圖9 熒光顯微鏡下三維視圖(a 和b)和Z 軸最大投影圖(a39。和b39。) 同時(shí),一種新興的治療手段——細(xì)胞治療也受到了人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。該療法將具有特定功能的細(xì)胞在體外進(jìn)行培養(yǎng)增殖后回輸入注入病患體內(nèi)進(jìn)行治療。而常規(guī)的輸入手段是直接將細(xì)胞懸液注入靜脈,這勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致注射細(xì)胞隨血液循環(huán)、體液流動(dòng)而大量流失,極大地影響了治療效果。將細(xì)胞包覆于水凝膠內(nèi)直接對(duì)患處進(jìn)行注射則可以較好地解決上述的問題,實(shí)現(xiàn)更有效的主動(dòng)靶向給藥。 這時(shí),自愈性水凝膠的優(yōu)勢(shì)得到明顯的體現(xiàn),如制備過程簡易溫和,不會(huì)造成細(xì)胞活性的損失；注射后破壞的水凝膠在患處實(shí)現(xiàn)自愈后保持了材料的相對(duì)完整性,可將細(xì)胞固定于患處,并保護(hù)細(xì)胞免受代謝系統(tǒng)的破壞。圖10 磁性水凝膠在N45 磁鐵引導(dǎo)下變形通過狹窄通道由于該水凝膠制備簡單,同時(shí)對(duì)多種物質(zhì)的加入具有良好的相容性，Zhang 等【49】又將功能材料，如磁性功能材料納米四氧化三鐵加入該水凝膠體系，制備了可自愈可變形的磁性水凝膠。該水凝膠具有類似章魚的特性,可通過變形或自身分裂通過比自身狹窄的孔道,并在之后借由自愈性恢復(fù)材料的完整性(圖10)。已證實(shí)可以通過極為簡單的方法,方便地為該水凝膠體系附加其他的功能，獲得新型功能化水凝膠,以滿足不同的應(yīng)用需求，開發(fā)出豐富的生物醫(yī)用材料。 本文的設(shè)計(jì)思路 當(dāng)今水凝膠作為一種重要的生物材料在材料學(xué)界正在得到越來越多的重視，生物水凝膠具有含水量高，生物相容性好，成型較容易，合成較為簡便等諸多優(yōu)點(diǎn)。金屬配位相互作用由于金屬離子與其配體的可選范圍廣、響應(yīng)快、可調(diào)控、理論基礎(chǔ)豐富等特性成為自愈合水凝膠制備的優(yōu)勢(shì)選擇。受自然界海洋生物貽貝良好粘附性能的啟發(fā)，多巴胺以其獨(dú)特的生物粘性，引起研究者的廣泛關(guān)注，特別是其兒茶酚基團(tuán)與金屬離子存在著可調(diào)控的配位作用，這種配位作用較氫鍵作用較強(qiáng)，并具有動(dòng)態(tài)特性，非常適用于生物材料表面自愈合涂層的制備。本實(shí)驗(yàn)即利用兒茶酚基團(tuán)與Fe3+之間的配位作用制備自愈合水凝膠，并測(cè)試水凝膠的自愈合性能和pH響應(yīng)。30 第二章 實(shí)驗(yàn)步驟 磁子攪拌器（可加熱），真空烘箱，電子天平等。 四硼酸鈉，碳酸氫鈉，多巴胺鹽酸，四氫呋喃，甲基丙烯酸酐，多巴胺，氫氧化鈉，乙酸乙酯。 N（3,4二羥基苯基乙基）甲基丙烯酰胺（DMA）的合成將10g（）（）碳酸氫鈉溶解在100mL去離子水中，有部分固體未溶解。用氮?dú)夤呐?5min后，（）多巴胺鹽酸，并在氮?dú)庀聰嚢?，固體溶解，溶液呈無色透明。另取25mL的THF溶液，除氧后，得到甲基丙烯酸酐溶液。將甲基丙烯酸酐溶液逐滴滴加到多巴胺溶液中， NaOH溶液來調(diào)節(jié)pH值。用pH試紙周期性地監(jiān)控并保持混合溶液呈微堿性（pH值89）。最終使用36mLNaOH溶液。加完全部甲基丙烯酸酐溶液后，室溫下攪拌17h，最后得到溶液呈淺棕色。用兩份50mL乙酸乙酯將溶液萃取兩次，保留水層（下層）。再用6M HCl將濾液酸化至pH為2，HCl用量為16mL。用50mL乙酸乙酯將該混合物萃取三次，保留有機(jī)相（上層）。用無水硫酸鎂干燥后，減壓蒸餾的約20mL溶液。將溶液在零攝氏度下用正己烷沉淀，得白色沉淀物。在沸騰的乙酸乙酯中進(jìn)行重結(jié)晶，再通過真空抽濾得到白色晶體，真空干燥，稱量，%。實(shí)驗(yàn)中注意控制溶液pH值，pH會(huì)影響最終產(chǎn)率。 P(DMAcoPEGMA)合成 DMA:PEGMA=1:8 DMA，10mg偶氮二異丁腈（AIBM）， PEGMA和1,4二氧六環(huán)，氮?dú)夤呐?0min，固體溶解，溶液呈無色透明。在70℃的油浴鍋中反應(yīng)35min后變?yōu)闉檎吵碜厣芤?。將該溶液滴入?0mL的正己烷中，并適當(dāng)攪拌，產(chǎn)生乳白色聚合物沉淀。將沉淀用3mL 1,4二氧六環(huán)溶解，并在30mL正己烷中沉淀，沉淀為淺棕色粘稠液體。將聚合物在40℃真空烘箱中干燥,得到產(chǎn)品。 P(DMAcoPEGMA)合成 DMA:PEGMA=2:8 DMA，15mg偶氮二異丁腈（AIBM）， 1,4二氧六環(huán)，氮?dú)夤呐?0min,由于DMA為固體，未能完全溶解，在向體系加入1mLDMF后，固體溶解，體系變?yōu)闊o色透明溶液，重新氮?dú)夤呐?0min。在70℃的油浴鍋中反應(yīng)110min后變?yōu)檎吵碜厣芤?。然后將該溶液滴入?5mL的正己烷中，并適當(dāng)攪拌產(chǎn)生乳白色聚合物沉淀。將沉淀用3mL 1,4二氧六環(huán)溶解，并在30mL正己烷中沉淀。將聚合物在40℃真空烘箱中干燥，稱量，%。該實(shí)驗(yàn)一定要除氧徹底，因?yàn)檠鯕鈺?huì)導(dǎo)致引發(fā)劑自由基的猝滅，從而導(dǎo)致所得聚合物的聚合度過低甚至無法形成聚合物。 水凝膠的合成將117mg FeCl3溶液溶解在10mL去離子水中，105mol/mL FeCl3溶液。再將100mg聚合物分別溶解在1mL和2mL去離子水中，得到DMA濃度分別為307mg/mL和153mg/mL的溶液。取聚合物溶液與FeCl3溶液混合，制備凝膠。 相關(guān)計(jì)算：DMA:％247。=分別將100mg和200mg聚合物溶解在1mL去離子水中，105mol/104mol/mL的聚合物溶液。FeCl3濃度：105mol/mL,104mol/mL 結(jié)構(gòu)表征測(cè)試 DMA的表征測(cè)試 將研磨好的KBr粉末壓成透明薄片，然后將其置于樣片池中，測(cè)試其紅外光譜圖（從4000 cm1掃至500 cm1，掃描30次），扣除背景樣后，將已干燥好的1~2 mg DMA粉末與200 mg KBr粉末混合后重新研磨壓成透明薄片，測(cè)試樣品的紅外光譜圖。取適量DMA溶解于1 mL氘代DMSO中，配制DMA溶液，測(cè)試其1H NMR譜圖。 P(DMAcoPEGMA)的表征測(cè)試將研磨好的KBr粉末壓成透明薄片，然后將其置于樣片池中，測(cè)試其紅外光譜圖（從4000 cm1掃至500 cm1，掃描30次），扣除背景樣后，將適量聚合物P(DMAcoPEGMA)溶于甲醇中，然后將聚合物溶液滴加在KBr透明薄片上，干燥后測(cè)試樣品的紅外光譜圖。取適量聚合物P(DMAcoPEGMA)溶解于1 mL氘代DMSO中，配制聚合物溶液，測(cè)試其1H NMR譜圖。 水凝膠對(duì)pH值響應(yīng)測(cè)試向制備的水凝膠內(nèi)滴加鹽酸，觀察水凝膠是否可以隨pH的降低變回溶液狀態(tài)。 水凝膠的自愈合性能的測(cè)試 將水凝膠割裂成兩份，靜置，觀察隨時(shí)間變化是否可以愈合。第三章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 DMA的表征圖譜 DMA紅外譜圖如圖11所示。該化合物在3300 cm1附近有較強(qiáng)的吸收峰，為NH伸縮振動(dòng)峰；在3000~3500 cm1區(qū)域內(nèi)有寬饅頭峰，說明該化合物含有OH；在1700 cm1左右有較強(qiáng)吸收峰，說明該化合物含有C=O；在1600 cm1左右有強(qiáng)吸收峰，說明該化合物含有C=C；在1500 cm1和1600 cm1左右，分別有兩個(gè)強(qiáng)吸收峰，為苯環(huán)上C=C振動(dòng)峰；在1465 cm1和1380 cm1處有兩個(gè)峰，為CH3的非對(duì)稱與對(duì)稱彎曲振動(dòng)，說明C=C連有一個(gè)CH3；在810 cm1和870 cm1左右有兩個(gè)吸收峰，說明該化合物中苯環(huán)為1，2，4三取代。故說明該化合物確為DMA。圖11 DMA紅外譜圖 DMA核磁共振氫譜圖如圖12。由NHCH2CH2的質(zhì)子信號(hào)可以確認(rèn)3,4二羥基苯乙胺鹽酸鹽和甲基丙烯酸酐成功形成了酰胺鍵， ppm。兒茶酚基團(tuán)中的質(zhì)子在1H NMR譜中是不可見的，但苯環(huán)中的質(zhì)子卻清晰可見， ppm。另外， ppm處具有明顯的信號(hào)。由于合成的DMA溶于氘代DMSO， ppm處可觀察到強(qiáng)烈的信號(hào)。故可知該化合物確為DMA。圖12 DMA核磁共振氫譜圖 P（DMAcoPEGMA）的表征圖譜P(DMAcoPEGMA)紅外譜圖如圖13所示。該化合物在3200 cm1附近有較強(qiáng)的吸收峰，為NH伸縮振動(dòng)峰；在3000~3500 cm1區(qū)域內(nèi)有寬饅頭峰，說明該化合物含有OH；在1726cm1處有較強(qiáng)吸收峰，說明該化合物含