论文部分内容阅读
高分子水凝胶,是指一类内部含有大量水的三维聚合物网络材料,一般具备良好的生物相容性和生物安全性,在药物输送载体、创伤敷料、组织工程支架以及软物质驱动器等领域,具有非常广阔的应用前景。然而,传统的高分子水凝胶通常是由天然高分子或者合成的聚合物,通过简单的化学键共价交联形成的。由于天然高分子易降解的特性及不均一交联网络结构的低效能量耗散机制,导致传统水凝胶往往表现出较差的机械性能;同时,水凝胶网络交联结构功能单元的匮乏,都严重影响了水凝胶材料的广泛应用。如何设计与制备强韧功能性水凝胶,以满足不同领域的应用需求,一直是高分子水凝胶材料研究的一大重要课题。针对天然高分子水凝胶稳定性差、易降解及传统水凝胶折射率较低的问题,本论文从改善水凝胶的力学性能及功能性出发,设计和制备了一系列环氧交联或具有互穿结构的明胶基韧性水凝胶、一系列高折射的聚硫氨酯功能性水凝胶及折射率可调的聚硫氨酯纳米复合水凝胶,以期实现水凝胶在医用敷料及人工角膜材料上的应用研究。本文主要研究内容如下:1、明胶基水凝胶的制备与性能研究由胶原蛋白部分降解而成的明胶,具有良好的生物相容性、生物降解性和凝胶特性,以及来源广、价格低、易成型的优点,是目前应用较为广泛的水凝胶敷料之一。但是由于未改性的明胶降解速率比较快,力学性能也相对较差,难以直接使用。因此,有必要对明胶基水凝胶进行改性以改善其性能,提高它的使用效果。本论文通过采用不同结构的环氧交联剂交联或形成互穿网络结构两种方式来对明胶基水凝胶进行改性,提高明胶水凝胶的力学强度及稳定性,以期用于医用敷料。(1)分别采用低毒性乙二醇缩水甘油醚(EGDE)和甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)中的环氧基与明胶结构中的氨基、羧基、羟基、巯基等基团发生反应而进行化学改性和交联(GMA中的双键还可进行二次交联),成功制备出一系列EGDE和GMA交联的明胶基水凝胶,以实现对明胶较为方便、经济的交联改性,且不影响明胶基水凝胶良好的生物相容性和生物安全性。所制备的水凝胶均为光学透明,并且呈现出透明的浅黄色,并具有较好的强度。当交联单体的含量从5 wt%变化到30 wt%时,所制备的EGDE和GMA交联的明胶基水凝胶平衡含水率分别在84.0～87.1 wt%及75.0～87.6 wt%之间变化。体外细胞毒性试验和细胞黏附测试反映出两种环氧交联的明胶基水凝胶对人胚胎成纤维细胞(HEFCs)显示出良好的生物相容性和细胞黏附能力,能保障细胞较好地在材料表面黏附和增殖。(2)将甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA)及乙烯基吡咯烷酮(PVP)引入明胶网络中,先后通过紫外光引发自由基共聚合及微量戊二醛交联两步反应,构建半互穿网络结构的方法来提高明胶基水凝胶的机械性能、水解稳定性、降解稳定性等性能。制备出的明胶-聚甲基丙烯酸羟乙酯-聚乙烯吡咯烷酮(Gelatin-PHEMA-PVP)半互穿网络结构水凝胶均表现出稳定的物理化学性能,所制备的水凝胶对人类肝脏细胞(HEK293T)显示了较低的细胞毒性和较强的细胞黏附增殖能力,在伤口敷料方面有着良好的应用前景。2、高折射聚硫氨酯基水凝胶的制备与性能研究水凝胶在眼科材料中有着广泛的应用,但是由于高含水量的水凝胶机械性能较差、折射率较低,使其在眼科材料特别是人工角膜植入材料中的应用受到了很大的限制。因此,如何同时提高水凝胶的机械性能和折射率是水凝胶型角膜植入材料研究的重点。本文分别采用引入高摩尔折射率的硫原子,在聚合物基体与水分子间构建强的相互作用力来提高水凝胶中水的折射率,与高折射的无机纳米粒子复合的方法对水凝胶材料的折射率进行了改进。(1)通过引入高摩尔折射率的硫原子,设计合成了一系列基于季戊四醇的聚硫氨酯水凝胶,同时利用季戊四醇的四臂结构,使得水凝胶中聚合物基体与水分子间产生较强的氢键相互作用,使水分子更好地束缚在水凝胶体系中,从而提高水凝胶中水的折射率,得到一系列高折射无色透明的四臂型聚硫氨酯水凝胶。由于四臂型分子结构与水分子间较强的相互作用,使得所制备的各类四臂型聚硫氨酯水凝胶在高含水量(74.9～90.8 wt%)下仍然具有较高的折射率,其在干态和湿态下的折射率分别为1.522～1.552和1.420～1.453。同时所制备的水凝胶具有较好的机械性能、稳定性及耐溶剂性。体外细胞毒性实验也表明所制备的各类四臂型聚硫氨酯水凝胶具有良好的生物相容性。(2)通过表面修饰,制备具有高折射率、易分散的无机纳米粒子(ME-ZnS);将其按不同比例与PEG型聚硫氨酯预聚物混合,制备出一系列具有高纳米颗粒含量且光学透明性高,折射率可调的的PEG型聚硫氨酯/ZnS纳米复合水凝胶。所制备的纳米复合水凝胶具有良好的物理化学稳定性、耐溶剂性及生物相容性。复合水凝胶的平衡含水量为43.1～60.2 wt%,在干态和湿态下的折射率分别为1.537～1.643和1.425～1.490,远高于人角膜。而且可以通过改变ZnS纳米粒子的掺杂量来调节水凝胶材料的折射率,在人工角膜等生物医用领域有较好的应用前景。