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《武汉大学》 2016年
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基于甲壳素新材料的构建及生物医用评价

黄瑶  
【摘要】:当今,海洋已成为国际竞争的重要领域,其中海洋生物质资源的利用与开发已日益引人注目。众所周知,甲壳素是海洋中丰富的可再生资源。2015年Nature杂志上刊登了题为"Sustainability:Don't waste seafood waste"的评论文章,呼吁科学家重视甲壳素的研究、开发与利用。本论文利用甲壳素为原料,通过化学及力学方法提取甲壳素纳米晶须及纳米纤维,结合NaOH/尿素水溶剂体系溶解甲壳素,构建一系列甲壳素基功能材料。由各种表征手段如广角X射线衍射(XRD)、固体核磁共振碳谱(13C NMR)、红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、荧光显微镜、水接触角仪、示差扫描量热法(DSC)、热重分析(TG)、紫外可见光谱(UV)、流变仪、光电子能谱(XPS)等表征材料的结构与性能。同时,通过细胞学和动物学实验评价它们在生物医用领域的应用前景,为甲壳素材料的研究、开发及应用开辟新途径。本论文的主要创新点包括:(1)以酸水解法制备的甲壳素纳米晶须作为力学增强相构建出生物相容的高强度纤维素/甲壳素晶须纳米复合膜。(2)基于甲壳素晶须的pH响应行为,制备甲壳素晶须/海藻酸钠聚电解质复合凝胶,并证明它可促进成骨细胞的粘附和增殖;(3)通过烷基化反应修饰甲壳素晶须构建出疏水性纳米材料,并证明它对植物油的增稠作用;(4)通过表面阳离子化法制备部分脱乙酰化的甲壳素纳米纤维,利用其表面氨基的还原性原位合成金纳米粒子并证明它在葡萄糖检测中有潜在应用;(5)利用NaOH/尿素溶剂体系直接制备甲壳素再生丝和无纺布,并证实它可促进家兔开放性创口愈合,是有前途的新型医用敷料。全文主要工作简述为如下5个部分:通过酸水解法制备了甲壳素纳米晶须,其平均长度和直径分别为300和20nm。将其悬浮液与纤维素的NaOH/尿素溶液相混合制备生物相容的纳米复合膜,并通过FT-IR, XRD、13C NMR、SEM、UV-Vis、TG及拉力测试等对其结构和性能进行表征。结果表明,甲壳素晶须与纤维素间具有较好的相容性,因此可以均匀分散于纤维素基底中。甲壳素晶须的加入显著提高了复合膜的拉伸强度和杨氏模量。细胞实验结果表明,该纳米复合膜对HeLa和293T细胞均无明显毒性,表现出良好的细胞相容性,有望应用于生物材料领域。基于甲壳素晶须的pH响应行为,成功构建了海藻酸钠/甲壳素晶须复合凝胶。中性条件下,带正电的甲壳素晶须均匀分布于带负电的海藻酸钠水溶液中,形成聚电解质复合物。由于二者间强烈的静电相互作用,复合凝胶的力学强度相比纯海藻酸钠凝胶大幅增强,而其在盐溶液中溶胀性则受到显著抑制。由于甲壳素纳米晶须的加入,复合凝胶结晶度升高,且呈现出与细胞外基质相似的多层次孔洞结构。因此,当复合凝胶应用于MC3T3-E1成骨细胞的培养基底时,显示出良好的生物相容性和较低的细胞毒性。荧光显微镜和扫描电镜的结果表明,甲壳素晶须的加入显著促进了成骨细胞在复合凝胶表面的粘附和增殖,显示出复合凝胶在骨组织工程领域的应用潜力。用简单的烷基化反应对甲壳素晶须进行表面疏水修饰,可应用于食用油增稠。FT-IR、XRD、13C NMR及DSC结果证明长链烷烃成功接枝到甲壳素晶须表面并赋予甲晶须高度疏水性及热转变现象。由于长链烷烃与甲壳素骨架间存在疏水相互作用,导致热压-冷却过程中形成微纳米结构的晶体排列,表面粗糙度显著增加。因此,通过对修饰后的晶须进行热压,可构建接触角接近150。的高疏水表面。此外,修饰后的晶须可以在葵花籽油中稳定分散并表现出显著的增稠效果。且其分散液的粘度表现出温度依赖性和剪切变稀行为,显示其替代饱和脂肪酸作为食用油增稠剂的巨大潜力,而α-甲壳素的生物活性及生物相容性进一步赋予其在食品、化妆品、药品等领域的广阔应用前景。通过表面阳离子化法制备了部分脱乙酰的甲壳素纳米纤维CNFs,并以其为基底原位合成了纳米金粒子AuNPs。由于CNFs表面少量氨基的还原作用和螯合作用,在合成过程中同时发挥还原剂和稳定剂的双重作用,原位生成的纳米金粒子紧密固定在CNFs表面。纳米金粒子的尺寸和形貌可通过改变CNFs浓度、反应温度、反应时间等参数进行调控。此外,CNF-AuNPs的悬浮液表现出类似过氧化酶的催化活性,且催化活性随纳米金粒子尺寸减小而增强。将其与葡萄糖氧化酶联用,可通过比色法对葡萄糖浓度进行检测,检出限低至94.5 nM。该方法具有选择性高、成本低廉、环境友好、简便高效以及可视化等优点,在临床医学以及食品检测等方面具有潜在应用前景。首次通过低温溶剂体系制备了具有良好力学性能的甲壳素再生纤维。将甲壳素经冷冻解冻溶解于11 wt% NaOH/4 wt%尿素水溶液中,通过湿法纺丝直接制备甲壳素再生纤维,然后将湿态纤维经简单的热压处理和溶剂置换可制备甲壳素无纺布。甲壳素纤维呈现光泽洁白的外观,具有圆形截面。由于甲壳素在NaOH/尿素体系的再生及溶解均为物理过程,甲壳素再生纤维和无纺布均保留了α-甲壳素的特征结构及生物活性,因此甲壳素无纺布用作家兔背部伤口敷料时,可显著加速伤口愈合,相比传统纱布可提前3-4天愈合。该工作为生物相容性甲壳素纤维材料的构建打开了新思路,对于纺织产品和医用材料的发展有着重要意义。本学位论文以甲壳素为原料,通过不同方法构建出基于甲壳素的复合材料,并阐明其结构与功能之间的构效关系,实验结果表明它们在生物医用领域有较大的应用潜力。这些新材料中,由于甲壳素纳米晶须、纳米纤维及甲壳素再生纤维均保持了α甲壳素固有的化学结构和生物活性,因此它们在细胞支架、组织工程、伤口敷料、食品日化、生物催化等领域有广泛应用前景。该工作拓宽了可再生资源甲壳素的应用范围,同时为海产品废弃物的“绿色”转化提供了新的思路和方法,符合可持续发展战略的要求。因此本论文具有重要的学术创新性与应用前景。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:O636.1;R318.08

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