丝素蛋白/聚氨酯水凝胶的制备、表征及性能研究

论文摘要

近年来,丝素蛋白作为一种天然高聚物,有着低生物降解性、优良的机械性能和可加工性能,同时具有良好的生物相容性,因此在各个领域尤其是医学方面引起了人们的研究兴趣。聚氨酯因为有着类似蛋白质的结构,因此被认为是一种可以替代天然材料逐渐在生物医学领域得到良好的应用。聚氨酯基水凝胶因为同时具有水凝胶的优异生物相容性和聚氨酯材料在性能方面的广泛可调性,一直受到研究人员的青睐,希望制备出合适的生物医学材料。现有水凝胶材料往往有着pH响应性慢和机械强度差等缺陷,为了使水凝胶具有较好的pH刺激响应性和优良的机械性能,能够应用在载药释药领域,本论文制备了丝素蛋白/聚氨酯（SF/PU）水凝胶,研究了水凝胶的吸水溶胀动力学行为,并对其载药释药性能进行了探讨,为SF/PU水凝胶在医学上应用提供理论和实验基础。本论文首先以异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）、聚乙二醇（PEG, Mn=2000）、聚氧化丙烯二醇（PPG,Mn=2000）等作为主要原料；2,2-二羟甲基丙酸（DMPA）作为亲水扩链剂；一缩二乙二醇（DEG）作为扩链剂合成了一系列NCO封端的聚氨酯（PU）预聚体,经过三乙胺（TEA）成盐后与自制的丝素蛋白（SF）水溶液混合进行交联反应,制备出丝素蛋白/聚氨酯（SF/PU）水凝胶。采用傅里叶变换红外（FT-IR）、差热扫描量热仪（DSC）、扫描电镜（SEM）等测试手段探讨了SF/PU水凝胶的制备工艺、表征了结构和微观形貌并且研究了结构与性能的关系。结果显示,制备出的SF/PU水凝胶符合预期结构,且两种组分的相容性较好,PEG用量的提高使得玻璃化温度向低温区移动。采用传统称重法,分析了PEG/PPG组分比例、DMPA含量以及SF/PU组分比例对平衡溶胀含水量的影响。结果表明,当DMPA用量逐渐提高时,制备的SF/PU水凝胶两组分的相容性较好,且平衡溶胀含水量显著提高；随着组分比例PEG/PPG的增大和SF/PU的减小,水凝胶的平衡溶胀含水量增加。在探讨了SF/PU水凝胶制备工艺、结构和性能关系的基础上,选用IPDI、PEG-2000和PPG-2000为主要原料合成了一系列NCO封端的聚氨酯预聚体,然后将其成盐后与SF水溶液混合进行交联反应,得到具有三维交联网络结构的丝素蛋白/聚氨酯（SF/PU）水凝胶。通过红外全反射（ATR）、SEM等测试表征了结构、微观形貌及多孔结构。通过测试水凝胶在不同环境条件下的吸水溶胀比和平衡溶胀含水量,分析了水凝胶的溶胀动力学机理。结果表明,SF/PU水凝胶具有明显的孔洞结构,孔径分布在10μm左右。水凝胶吸水溶胀行为分析表明,制备的水凝胶有着良好的pH响应性,碱性介质中的平衡溶胀含水量远大于酸性介质中,在pH<7的介质中,吸水溶胀比变化不大,在pH>7的介质中,吸水溶胀比随pH值增大迅速增大。当DMPA含量逐渐增大时,水凝胶的平衡溶胀含水量逐渐增大；然而当SF/PU组分比例转增大时,水凝胶的平衡溶胀含水量逐渐减小。随着温度升高,SF/PU水凝胶的平衡溶胀含水量下降,水凝胶在20℃与50℃之间的溶胀-退胀可逆性较好。通过分光光度计法测试了SF/PU水凝胶对氯霉素、环丙沙星的载药释药行为,结果表明氯霉素和环丙沙星水凝胶在24 h后释药率都在80%以上。水凝胶对大肠杆菌抑菌实验照片证实了SF/PU水凝胶具有良好的载药释药性能。论文最后采用2,2-二羟甲基丙酸（DMPA）和N-甲基二乙醇胺（MEDA）分别作为阴、阳离子型扩链剂,在聚氨酯（PU）预聚体结构上先后引入两种离子型的亲水基团,经过三乙胺（TEA）中和后与丝素蛋白（SF）水溶液混合交联,得到SF/PU两性水凝胶。通过ATR、SEM表征了结构、微观形貌及多孔结构。结果表明,制备出的SF/PU两性水凝胶具有明显的孔洞结构,孔径分布在15μm左右。通过测试在不同条件下的吸水溶胀比和平衡溶胀含水量,分析了两性水凝胶的溶胀动力学机理。制备出的SF/PU两性水凝胶表现出良好的pH响应性,在pH值为1-4和8-13介质中平衡溶胀含水量均大于pH值为5-7的；且MDEA用量多的在酸性介质中显示出更高的吸水溶胀比,而DMPA用量多的在碱性介质中有着更高的吸水溶胀比。两性SF/PU水凝胶在pH值为2和12介质中平衡溶胀含水量都大于pH值为7。吸水溶胀动力学分析表明,两性SF/PU水凝胶在pH值为2和12介质中的吸水溶胀过程遵循链段松弛机理,在pH值为7的介质中遵循Fickian扩散机理。两性水凝胶的吸水溶胀比与SF/PU比例有关,当比例50/50时吸水溶胀比最大值为198%,而SF/PU为65/35下降为136%。随着SF/PU比例的增大,水凝胶达到吸水溶胀平衡的时间逐渐缩短。通过万能实验拉力机测试了两性水凝胶的机械性能,当SF/PU比例为65/35时,水凝胶材料的压缩强度达到最大值0.577MPa,当SF/PU为50/50时水凝胶有着最大变形率为85.8%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 高分子水凝胶的研究进展
• 1.2 高分子水凝胶的分类
• 1.2.1 温度敏感性水凝胶
• 1.2.2 pH响应性水凝胶
• 1.2.3 盐响应性水凝胶
• 1.2.4 电场响应性水凝胶
• 1.2.5 磁场响应性水凝胶
• 1.3 智能水凝胶的研究进展
• 1.3.1 快速响应性水凝胶
• 1.3.1.1 亚微米尺寸的微凝胶
• 1.3.1.2 大孔和超大孔水凝胶
• 1.3.1.3 具有梳型结构的水凝胶
• 1.3.2 优良机械性能水凝胶
• 1.4 聚氨酯水凝胶在医学领域的应用
• 1.4.1 载药释药系统
• 1.4.2 医用创伤敷料
• 1.4.3 蛋白质芯片
• 1.4.4 其他用途
• 1.5 丝素蛋白水凝胶的研究进展
• 1.6 本课题的研究意义
• 1.7 本论文的设计方案和主要内容
• 1.7.1 丝素蛋白/聚氨酯水凝胶的制备工艺探讨及基本性能研究
• 1.7.2 丝素蛋白/聚氨酯水凝胶的吸水溶胀动力学及载药释药研究
• 1.7.3 两性丝素蛋白/聚氨酯水凝胶的制备及其性能研究
• 参考文献
• 第二章 丝素蛋白/聚氨酯水凝胶的制备工艺探讨及性能研究
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验试剂与材料
• 2.2.2 丝素蛋白/聚氨酯水凝胶的制备
• 2.2.2.1 端异氰酸酯聚氨酯预聚体的合成
• 2.2.2.2 丝素蛋白水溶液的制备
• 2.2.2.3 丝素蛋白/聚氨酯水凝胶的制备
• 2.2.3 性能测试
• 2.2.3.1 残留NCO含量测定
• 2.2.3.2 水凝胶干胶膜的制备
• 2.2.3.3 扫描电镜测试
• 2.2.3.4 水凝胶吸水溶胀比的测定
• 2.2.3.5 水凝胶平衡溶胀含水量（EWC）的测定
• 2.2.3.6 红外光谱测试
• 2.2.3.7 水凝胶的机械性能测试
• 2.2.3.8 热性能测试
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 丝素蛋白/聚氨酯水凝胶的制备工艺的探讨与分析
• 2.3.1.1 聚氨酯（PU）预聚体的合成工艺的探讨
• 2.3.1.2 温度和催化剂对SF/PU水凝胶凝胶形成时间的影响
• 2.3.1.3 SF/PU水凝胶的ATR分析
• 2.3.1.4 亲水基团含量对SF/PU水凝胶制备的影响
• 2.3.2 硬段结构对丝素蛋白/聚氨酯水凝胶性能的影响
• 2.3.2.1 二异氰酸酯种类对SF/PU水凝胶的机械性能的影响
• 2.3.2.2 硬段含量对SF/PU水凝胶平衡溶胀含水量（EWC）的影响
• 2.3.2.3 SF/PU比例对水凝胶平衡溶胀含水量（EWC）和性能的影响
• 2.3.3 软段结构对SF/PU水凝胶的平衡溶胀含水量（EWC）的影响
• 2.3.4 SF/PU水凝胶的DSC分析
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 丝素蛋白/聚氨酯水凝胶的制备及其载药释药性能研究
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验材料和仪器
• 3.2.2 SF/PU水凝胶的制备方法
• 3.2.2.1 异氰酸酯基团封端的聚氨酯预聚体的合成
• 3.2.2.2 丝素蛋白水溶液的制备
• 3.2.2.3 SF/PU水凝胶的制备
• 3.2.3 SF/PU水凝胶的性能测试
• 3.2.3.1 水凝胶干胶膜的制备
• 3.2.3.2 扫描电镜测试
• 3.2.3.3 水凝胶吸水溶胀比的测定
• 3.2.3.4 水凝胶平衡溶胀含水量（EWC）的测定
• 3.2.3.5 溶胀动力学研究
• 3.2.3.6 SF/PU水凝胶的温度敏感性
• 3.2.3.7 红外光谱测试
• 3.2.4 SF/PU水凝胶的载药抗菌性能研究
• 3.2.4.1 氯霉素和环丙沙星紫外吸收波长的确定
• 3.2.4.2 氯霉素和环丙沙星标准工作曲线的制定
• 3.2.4.3 水凝胶药物释放率的测定
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 红外光谱分析
• 3.3.2 SF/PU水凝胶的吸水溶胀动力学研究
• 3.3.2.1 DMPA用量对水凝胶吸水溶胀行为的影响
• 3.3.2.2 SF/PU组分比例对水凝胶吸水溶胀行为的影响
• 3.3.3 温度对SF/PU水凝胶吸水溶胀行为的影响
• 3.3.3.1 不同温度下水凝胶的吸水溶胀行为
• 3.3.3.2 水凝胶在不同温度间的溶胀-退胀行为
• 3.3.4 SF/PU水凝胶的SEM观察
• 3.3.5 SF/PU水凝胶的载药释药性能
• 3.3.5.1 SF/PU水凝胶对氯霉素载药释药性能的研究
• 3.3.5.2 SF/PU水凝胶对不同药物的载药性能研究
• 3.3.5.3 SF/PU水凝胶载药释药的宏观抗菌效果
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 丝素蛋白/聚氨酯两性水凝胶的制备及其pH响应性研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验试剂与材料
• 4.2.2 丝素蛋白/聚氨酯两性水凝胶的合成
• 4.2.2.1 NCO封端的聚氨酯预聚体的合成
• 4.2.2.2 丝素蛋白水溶液的制备
• 4.2.2.3 SF/PU两性水凝胶的制备
• 4.2.3 性能测试
• 4.2.3.1 水凝胶干胶膜的制备
• 4.2.3.2 红外光谱测试
• 4.2.3.3 扫描电镜
• 4.2.3.4 水凝胶吸水溶胀比的测定
• 4.2.3.5 水凝胶平衡溶胀含水量（EWC）的测定
• 4.2.3.6 水凝胶的机械性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 红外光谱分析
• 4.3.2 扫描电镜分析
• 4.3.3 SF/PU两性水凝胶的pH响应性研究
• 4.3.4 SF/PU两性水凝胶的吸水溶胀行为研究
• 4.3.4.1 SF/PU两性水凝胶在不同pH值下的吸水溶胀动力学
• 4.3.4.2 SF/PU组分比例对水凝胶的吸水溶胀动力学的影响
• 4.3.5 SF/PU两性水凝胶的机械性能
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 结论
• 致谢
• 硕士期间发表论文