聚肽类环境敏感性水凝胶的制备及性能研究

论文摘要

本论文在前人研究的基础上,以聚肽为原料、开发了性能更为优异的环境敏感性水凝胶体系,主要研究了以聚天门冬氨酸为代表的氨基酸均聚物水凝胶体系、以及多肽RATEA16为代表的氨基酸共聚物自组装水凝胶体系。对聚天门冬氨酸水凝胶体系,我们研究了制备条件对产品敏感程度的影响,得出较高的水解最终pH值可以提高水凝胶的溶胀一去溶胀响应速度的结论,这主要是由于水解最终pH值严重影响着其微观聚合物结构、以及宏观的凝胶表面形态。我们还比较详细的阐述了聚天门冬氨酸水凝胶的pH敏感性,由于其中同时含有酸性、碱性基团,它属于两性pH敏感水凝胶,因此它在高、低pH处均有较大的溶胀比,而在中间pH处溶胀比较小；同时,它对离子强度的变化更加敏感。众所周知,一种新材料的研发必然是要以大规模生产为最终目标,因此,聚天门冬氨酸水凝胶也必然要面临将实验室小试结果放大的阶段。我们采用响应面法优化聚天门冬氨酸水凝胶的制备工艺,从而达到提高放大实验所得的产品最高吸水能力的研究目的。实验得到了一个能够很好的拟合实验数据的多项式模型,经过小试以及放大实验的验证,模型的预测值与实验测量值十分吻合。通过制备工艺的优化,产品的溶胀比提高了大约60%。此外,我没呢还对聚天门冬氨酸水凝胶进行了改性。首先,采用物理的冻融循环技术结合少量化学交联剂来制备聚天门冬氨酸水凝胶,以达到在保证产品的生物降解性和生物相容性不变的前提下,减少制备过程中化学交联剂毒毒性的目的。实验发现控制制备工艺中冻融循环的条,就可以在一定程度上控制产品最终的结构和性质。为了弥补聚天门冬氨酸水凝胶机械强度差的缺陷,我们采用半互穿网络技术,以聚天门冬氨酸钠盐为线性组份、以交联型聚丙烯酸为网络结构,在水相反应体系中制备PAsp/PAAc半互穿网络结构水凝胶。实验证实了溶胀后的PAsp/PAAc半互穿网络水凝胶以一个聚电解质复合物的结构存在。还发现此产品保持了聚天门冬氨酸水凝胶的温度、pH敏感性,并且在这些可重复的溶胀一去溶胀周期中,凝胶体系显示了很好的机械强度性能。通过研究PAsp/PAAc半互穿网络水凝胶在尿素溶液中的溶胀动力学性质,揭示了水分子扩散进入水凝胶的网络结构是受到non-Fickian扩散机制的控制。并且,产品中PAsp线性组分的比例越小,其溶胀过程受到水分子的扩散控制程度越大；产品中PAsp线性组分的比例越大,其溶胀过程就越接近聚合物链的扩展控制体系。为聚天门冬氨酸水凝胶体系在生物体内的应用做初步研究,我们还考察了各产品在各种自制的模拟生理溶液中的溶胀性能。实验证明其依然具备离子型水凝胶的普遍性质,溶胀行为受到溶胀环境的严重影响,尤其是溶液中的离子强度。综上所述,具有高溶胀能力、快速溶胀速度的智能型聚天门冬氨酸吸水材料必将在许多领域中都有比较广泛的应用前景。另一方面,本论文还研究了多肽RATEA16自组装水凝胶体系。多肽RATEA16可以在水相中自组装形成一种高规则性的纳米纤维水凝胶；其含水量通常大于99.5wt.-%,并且在生理相似的环境中保持稳定状态。通过比较详尽的研究其各种性能,揭示了多肽RATEA16自组装水凝胶富含二级结构为p-折叠的纳米纤维；其动态黏弹性受环境pH值和体系中多肽浓度的影响。还发现界而间的疏水作用力、分子间的氢键作用、以及吸引和排斥静电力的共同作用,是不同pH环境中出现粘稠溶液、弹性水凝胶、和沉淀三种状态的主要原因,可以通过细微调整环境pH值来达到它们之间的相互转换；也就是说,纳米纤维上电荷数的微小变化,就可以改变多肽RATEA16的自组装行为,使其产生pH响应。作为应用研究,我们采用胰岛素作为模型蛋白,考察了多肽RATEA16自组装水凝胶的载药以及释放药物的能力,研究其与蛋白药物之间的相互作用。其独特的pH响应性决定了它有望作为生物材料类蛋白载体被用于生物医药领域中药物的pH可控释放。另一方面,根据容器的形状和大小,多肽RATEA16水凝胶可以维持不同的几何形态：此特性使其作为一种智能型生物材料可以被注射进生物体内进行组织修复。

论文目录

• 学位论文数据集
• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 制备水凝胶的交联方法
• 1.2.1 引言
• 1.2.2 化学交联凝胶体系
• 1.2.3 物理交联凝胶体系
• 1.2.4 总结
• 1.3 环境敏感水凝胶
• 1.3.1 引言
• 1.3.2 环境敏感水凝胶的分类
• 1.3.3 制备快速响应环境敏感水凝胶的方法
• 1.3.4 环境敏感水凝胶的展望
• 1.4 聚肽类组织材料
• 1.4.1 引言
• 1.4.2 生物合成聚肽
• 1.4.3 肽/非肽聚合物
• 1.4.4 自组装聚肽
• 1.5 环境敏感性聚肽类水凝胶的发展趋势
• 1.6 本论文的研究计划
• 1.6.1 论文的研究背景、目的及意义
• 1.6.2 论文的主要研究内容
• 第二章 聚天门冬氨酸水凝胶的环境敏感性
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验仪器及实验材料
• 2.2.2 实验过程及实验方法
• 2.2.3 性能分析方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 PSI浓度对聚天门冬氨酸水凝胶溶胀比的影响
• 2.3.2 聚天门冬氨酸水凝胶在盐溶液中的溶胀性能
• 2.3.3 聚天门冬氨酸水凝胶在去离子水中的溶胀动力学
• 2.3.4 聚天门冬氨酸水凝胶的吸水性能对环境温度的响应
• 2.3.5 聚天门冬氨酸水凝胶的表面结构
• 2.3.6 聚天门冬氨酸水凝胶的pH敏感性
• 2.3.7 聚天门冬氨酸水凝胶的离子敏感性
• 2.4 小结
• 第三章 采用响应面方法优化聚天门冬氨酸水凝胶的制备条件
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验仪器及实验材料
• 3.2.2 实验过程及实验方法
• 3.2.3 统计方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 Plackett-Burman实验设计
• 3.3.2 最陡爬坡法
• 3.3.3 中心组合设计
• 3.3.4 最优化制备条件的验证
• 3.4 小结
• 第四章 冻融法结合化学交联法制备聚天门冬氨酸水凝胶
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验仪器及实验材料
• 4.2.2 实验过程及实验方法
• 4.2.3 性能分析方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 FT-IR分析
• 4.3.2 冻融循环次数对聚天门冬氨酸水凝胶溶胀性能的影响
• 4.3.3 X射线衍射分析
• 4.3.4 采用冻融循环技术进行物理交联的机理
• 4.3.5 冷冻和解冻时间对聚天门冬氨酸水凝胶溶胀性能的影响
• 4.3.6 冻融法结合化学交联法制备PAsp水凝胶的溶胀动力学
• 4.3.7 扫描电子显微镜观察凝胶固体的表面结构
• 4.3.8 差示扫描量热分析
• 4.3.9 新型PAsp水凝胶在各种生理溶液中的溶胀性能
• 4.4 小结
• 第五章 聚天门冬氨酸/聚丙烯酸半互穿网络水凝胶的制备与性质
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验仪器及实验材料
• 5.2.2 实验过程及实验方法
• 5.2.3 性能分析方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 PAsp/PAAc半互穿网络水凝胶的合成
• 5.3.2 FT-IR分析
• 5.3.3 扫描电子显微镜观察凝胶固体的表面结构
• 5.3.4 溶胀环境的温度对溶胀能力的影响
• 5.3.5 溶胀环境的pH值对溶胀能力的影响
• 5.3.6 PAsp/PAAc半互穿网络水凝胶在生理溶液中的溶胀性能
• 5.4 小结
• 第六章 PAsp/PAAc半互穿网络水凝胶在尿素溶液中的溶胀动力学
• 6.1 前言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 实验仪器及实验材料
• 6.2.2 实验过程及实验方法
• 6.2.3 性能分析方法
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 PAsp/PAAc半互穿网络水凝胶的溶胀曲线
• 6.3.2 PAsp/PAAc半互穿网络水凝胶的溶胀动力学
• 6.3.3 尿素溶液浓度对PAsp/PAAc半互穿网络水凝胶溶胀动力学的影响
• 6.4 小结
• 第七章 多肽RATEA16自组装pH敏感性水凝胶的制备及性质
• 7.1 前言
• 7.2 实验部分
• 7.2.1 实验仪器及实验材料
• 7.2.2 实验过程及实验方法
• 7.2.3 性能分析方法
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 纳米纤维水凝胶的形成过程
• 7.3.2 多肽RATEA16水凝胶的纳米结构
• 7.3.3 多肽RATEA16的二级结构
• 7.3.4 多肽RATEA16水凝胶的流体力学性质
• 7.3.5 多肽RATEA16水凝胶的pH响应过程
• 7.3.6 多肽RATEA16水凝胶在药物释放方面的应用初探
• 7.4 小结
• 第八章 多肽RATEA16自组装水凝胶对蛋白药物的可控释放
• 8.1 前言
• 8.2 实验部分
• 8.2.1 实验仪器及实验材料
• 8.2.2 实验过程及实验方法
• 8.2.3 性能分析方法
• 8.3 结果与讨论
• 8.3.1 insulin-FITC的装载过程
• 8.3.2 insulin-FITC的扩散及可控释放
• 8.4 小结
• 第九章 结论
• 参考文献
• 论文创新点
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 导师及作者简介
• 博士研究生学位论文答辩委员会决议书