聚偏氟乙烯吸附功能膜的研制及其应用研究

【摘要】：聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)膜材料具有优良的热稳定性、化学稳定性以及良好的机械性能,近年来,已被广泛应用于化工、环保、食品、医药和生化等诸多领域。同时,其化学键能高,疏水性强,对蛋白质存在强烈的吸附作用,且具有较好的生物相容性,因此被认为是生物医学分析领域极具发展前景的生物医用材料。 本论文以PVDF作为成膜材料,从蒸汽相诱导法和浸没沉淀法入手,研制高蛋白吸附量的PVDF吸附功能膜,考察各种因素对膜结构和性能的影响；通过对PVDF表面的改性,调控膜表面的亲疏水性,以拓展其在电泳转印、快速诊断、斑点印迹等领域的应用；并将氨基酸接枝到PVDF中空纤维膜的表面制成亲和吸附膜,用于脱除内毒素,获得较好的实验结果。同时运用分子动力学模拟的方法,探讨了牛血清蛋白在不同晶型的PVDF表面的吸附作用及机理。本论文的主要研究内容如下： (1)蒸汽相诱导法制备PVDF微孔膜 通过蒸汽相诱导法制备了网络状结构对称且无皮层的PVDF膜,考察了蒸汽相的组成、温度、湿度、添加剂的类型对膜结构和性能的影响。研究发现,蒸汽相环境的变化对膜结构有着重要的影响,在蒸发气氛中添加了溶剂DMAC,可以减慢传质速率,使分相时间延长,所成膜的下表面皮层消失,呈现多孔形貌；温度较低,湿度较高时,质量传递速率下降,膜孔的联通性更好,孔隙率上升。以LiCl为添加剂的膜ML表面为开放式的网络结构,同时具有较小的孔径(1.24μm)和较大的孔隙率(86.1%),所以具有较大的蛋白吸附量160μg/cm2。 (2)浸没沉淀法制备PVDF微孔膜 在浸没沉淀法制备PVDF微孔膜的过程中,选择TEP为溶剂,从热力学和动力学两方面考察了铸膜液和凝固浴的组成、温度、添加剂的类型等对膜结构、晶型和性能的影响。结果表明,TEP凝胶浴的浓度能直接改变成膜机理,随着TEP浓度的上升,液液分相过程由瞬时分相过渡到延迟分相,皮层逐渐消失,可获得网络状无皮层对称结构的膜,该膜比表面积大,蛋白固载能力强；TEP凝胶浴的浓度的上升和温度的下降都可以使结晶速度变慢,使PVDF倾向于形成p型的晶体,而极性的β型PVDF具有更多活性吸附位点,有利于蛋白的吸附；以乙醇作为添加剂的膜M34结构均一,孔径分布均匀,在1μm左右。同时膜M34的强度、宏观形貌及蛋白吸附量(194μg/cm2)均在一个较理想的水平 (3)PVDF膜吸附功能膜用于免疫检测领域 将制备的PVDF膜、PVDF改性膜及PVDF/NC共混膜分别应用于电泳印迹、胶体金快速免疫层析(GICA)、免疫斑点印迹等三个领域。通过研究发现：不对称结构的PVDF膜由于其表面具有致密的皮层,蛋白吸附能力非常弱,无法转印蛋白。而结构对称无皮层的膜M34由于蛋白固载量大(194μg/cm2),与商品膜进行对比,转印效果好,是免疫印迹和生化分析领域的优良用膜；将膜M34经表面亲水化改性后,层析性能明显上升,应用在DOA类和hCG类快速诊断试剂时C/T线出现时间较快(T线50秒内,C线200秒内),并且显色状态较强(T线强度G6～G9,C线强度G7-G9)；将共混膜应用于免疫斑点印迹,通过调节共混聚合物的种类以及共混比例,制备出网络状、结构均匀的PVDF/NC共混膜M90,其显色效果明显优于商品的NC膜。 (4)以L-丝氨酸(Ser)为配基制备PVDF中空纤维亲和膜 通过对PVDF中空纤维膜基质进行改性,将丝氨酸配基键合到膜上,制备成PVDF-Ser亲和膜用于人、动物血液中内毒素的脱除。结果表明,PVDF-Ser对人血浆中内毒素的脱除效率高,清除率为48.3%,同时具有较为理想的血液相容性,总蛋白的损失率为14.9%,白蛋白恢复率为92.6%；放大的PVDF-Ser亲和膜组件用于实验猪的全血灌流实验,结果显示该亲和膜可以有效的脱除动物体内的内毒素,能够很好的降低肿瘤坏死因子(TNF-a),和白细胞介素(IL-6)的浓度,抑制炎症反应的发生。 (5)BSA与α和β晶型的PVDF表面相互作用的分子动力学模拟 采用MD模拟的方法讨论了蛋白质BSA与a和p晶型的PVDF之间的相互作用。由MD模拟得到BSA分别与α和β型PVDF之间的静电相互作用、范德华相互作用和总的相互作用能的大小。结果表明,β型PVDF与BSA的静电相互作用和范德华相互作用均比α型强,总的相互作用能比α型高了约200KJ/mol.BSA在β型表面参与吸附的基团比α型表面多了四个,分别为ASP85,SER465, GLU490,TYR492.正是由于β型表面呈极性,参与吸附的氨基酸基团密度高于α型,同时β型与BSA的相互作用能也更大,所以β型PVDF对蛋白质的固载能力更强。