【文章內(nèi)容簡介】 愈性水凝膠。該水凝膠的網(wǎng)絡交聯(lián)點為亞胺鍵，由于水凝膠中大量存在的水分和殼聚糖溶解時所帶的少量酸，使得體系當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水凝膠具有動態(tài)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)【45】，可以在不借助外力條件下實現(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)生流動相，一段時間后孔洞消失，界面變得模糊，材料完成自愈合(圖8)。圖8 殼聚糖動態(tài)水凝膠的自愈性和多響應性此外，亞胺鍵的動態(tài)特性使得水凝膠在宏觀上對外界環(huán)境具有多重響應的特征，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的結(jié)合能力，因此原有的交聯(lián)點被新的動態(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)控動態(tài)平衡實現(xiàn)。此外，可以加入木瓜蛋白酶等對殼聚糖骨架進行降解，造成水凝膠的解體。 不同的刺激響應調(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。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)用材料方面的應用提供了良好的基礎(chǔ)。對于開發(fā)生物醫(yī)用的水凝膠,良好的生物相容性是不可或缺的,細胞實驗表明,該材料生物相容性極佳。在后續(xù)的試驗中,Yang等【46】實現(xiàn)了在這一水凝膠中細胞的三維培養(yǎng)【47,48】。動態(tài)水凝膠作為進行細胞三維培養(yǎng)的材料有著獨特的優(yōu)勢。目前大部分的細胞培養(yǎng)都是在二維水平上進行的。而在生物組織之中,細胞是以三維形式分布的,因此,三維細胞培養(yǎng)也是目前細胞培養(yǎng)的新趨勢。為了更好地模擬細胞生存環(huán)境,就要求在體外培養(yǎng)細胞時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用前景的細胞三維培養(yǎng)材料。同時,動態(tài)化學鍵的存在使得水凝膠內(nèi)的細胞本身處于一種動態(tài)的環(huán)境之中,體內(nèi)三維環(huán)境的變化會導致細胞生長狀況及形態(tài)學的改變,而動態(tài)環(huán)境有助于細胞相互間的接觸傳遞信息以及與環(huán)境的互動等。在動態(tài)水凝膠中,相對于二維培養(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,一種新興的治療手段——細胞治療也受到了人們越來越多的關(guān)注。該療法將具有特定功能的細胞在體外進行培養(yǎng)增殖后回輸入注入病患體內(nèi)進行治療。而常規(guī)的輸入手段是直接將細胞懸液注入靜脈,這勢必會導致注射細胞隨血液循環(huán)、體液流動而大量流失,極大地影響了治療效果。將細胞包覆于水凝膠內(nèi)直接對患處進行注射則可以較好地解決上述的問題,實現(xiàn)更有效的主動靶向給藥。 這時,自愈性水凝膠的優(yōu)勢得到明顯的體現(xiàn),如制備過程簡易溫和,不會造成細胞活性的損失；注射后破壞的水凝膠在患處實現(xiàn)自愈后保持了材料的相對完整性,可將細胞固定于患處,并保護細胞免受代謝系統(tǒng)的破壞。圖10 磁性水凝膠在N45 磁鐵引導下變形通過狹窄通道由于該水凝膠制備簡單,同時對多種物質(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材料的完整性(圖10)。已證實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,以滿足不同的應用需求，開發(fā)出豐富的生物醫(yī)用材料。 本文的設計思路 當今水凝膠作為一種重要的生物材料在材料學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。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，并具有動態(tài)特性，非常適用于生物材料表面自愈合涂層的制備。本實驗即利用兒茶酚基團與Fe3+之間的配位作用制備自愈合水凝膠，并測試水凝膠的自愈合性能和pH響應。30 第二章 實驗步驟 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。用氮氣鼓泡45min后，（）多巴胺鹽酸，并在氮氣下攪拌，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，%。實驗中注意控制溶液pH值，pH會影響最終產(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)，氮氣鼓泡30min，固體溶解，溶液呈無色透明。在70℃的油浴鍋中反應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)，氮氣鼓泡30min,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，重新氮氣鼓泡30min。在70℃的油浴鍋中反應110min后變?yōu)檎吵碜厣芤骸Ｈ缓髮⒃撊芤旱稳氲?5mL的正己烷中，并適當攪拌產(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，%。該實驗一定要除氧徹底，因為氧氣會導致引發(fā)劑自由基的猝滅，從而導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)表征測試 DMA的表征測試 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，測試其1H NMR譜圖。 P(DMAcoPEGMA)的表征測試將研磨好的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，測試其1H NMR譜圖。 水凝膠對pH值響應測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試 將水凝膠割裂成兩份，靜置，觀察隨時間變化是否可以愈合。第三章 實驗結(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附近有較強的吸收峰，為NH伸縮振動峰；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左右有較強吸收峰，說明該化合物含有C=O；在1600 cm1左右有強吸收峰，說明該化合物含有C=C；在1500 cm1和1600 cm1左右，分別有兩個強吸收峰，為苯環(huán)上C=C振動峰；在1465 cm1和1380 cm1處有兩個峰，為CH3的非對稱與對稱彎曲振動，說明C=C連有一個CH3；在810 cm1和870 cm1左右有兩個吸收峰，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)子信號可以確認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。由于合成的DMA溶于氘代DMSO， ppm處可觀察到強烈的信號。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附近有較強的吸收峰，為NH伸縮振動峰；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處有較強吸收峰，說明該化合物含