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《西南交通大学》 2017年
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仿贻贝多功能水凝胶及其生物医学应用的研究

韩璐  
【摘要】:水凝胶是一类由亲水性高分子或聚合物形成的高含水量软材料,能够模拟细胞外基质的三维微环境,对细胞行为、组织功能进行调控,在生物医学工程领域有广泛的应用前景。但是,传统水凝胶由于其较高含水量而力学性能差;而一般超强水凝胶缺乏细胞亲和性和组织粘附性,无法完全满足临床需求。近年来,具有优异粘附性的仿贻贝材料的出现为设计新型自粘附水凝胶提供思路。本论文基于仿贻贝粘附机理,研发了多种具有自粘附、自愈合、导电、细胞亲和性等多功能的超强水凝胶,具体分为以下几部分内容:(1)用于组织修复的理想型水凝胶应该具备天然生物体组织拥有的性能,特别是高韧性和自愈能力,类似皮肤和肌肉组织能够承受循环负载;且具有良好的细胞亲和性和组织粘附性,在植入体内后能与周围组织发生良好的整合。本研究采用碱性含氧环境预聚合多巴胺单体形成聚多巴胺聚集体,并将其与丙烯酰胺单体混合,通过自由基聚合反应形成具有细胞亲和性的超强水凝胶。该水凝胶的形成过程防止了多巴胺的过度氧化,从而在水凝胶中维持了足够多的自由酚羟基,赋予水凝胶良好的组织粘附性。另外,该水凝胶还具有超拉伸性能和高韧性等优异的力学性能;且受损后在无外界刺激条件下能够自愈合。体外细胞实验和体内全层皮肤缺损实验证明,该水凝胶有利于细胞粘附、增殖,还能够促进组织再生。此外,该PDA-PAM水凝胶中的PDA能够修饰各种多功能纳米颗粒,并将其引入PAM网络中,形成具有优异性能的多功能水凝胶,如磁性自愈合超拉伸水凝胶、导电自愈合自粘附水凝胶。因此,该水凝胶的应用范围可以被广泛的延伸,如在磁和电疗法中或许有潜在的应用。(2)具有粘附性的水凝胶在皮肤修复、伤口敷料、伤口缝合、和可穿戴设备等多个领域具有广泛的应用前景。然而,现有的粘附型水凝胶大多力学性能较差,且粘附性通常是一次性的。制备兼具持久粘附性和优良力学性能的用于反复对此多次粘附的水凝胶目前仍然是一个挑战。本研究受海水环境中贻贝粘附行为的启发,采用二维层状纳米粘土产生仿海水环境,介导多巴胺氧化,制备了超强自粘附水凝胶。多巴胺插层到纳米粘土的层间,层间的纳米空间模拟贻贝粘附盘有限的空间,能够防止多巴胺过度氧化,因而形成的聚多巴胺保留有大量的酚羟基。因此,本研究制备的自粘附水凝胶不同于以往的单次使用的粘附性水凝胶,能够具有可重复性和耐用性。另外,纳米粘土在水凝胶形成过程中被插层,可作为功能型纳米增强剂,赋予水凝胶优异的力学性能。体外细胞培养实验表明水凝胶具有良好的细胞亲和性能够促进细胞粘附和增殖。体内全层皮肤缺损实验证明该水凝胶能够促进皮肤组织的再生。本研究制备的具有自粘附性、细胞亲和性、生物相容性的超强水凝胶能够作为皮肤敷料用于替代传统粘合剂。(3)粘多糖是软骨细胞外基质的主要组分,并可维持软骨细胞的主要功能,因此粘多糖基水凝胶被广泛应用于软骨修复。然而,目前报道的粘多糖基水凝胶大多强度较弱,且粘多糖本身的负电荷不利于细胞的粘附和组织再生。本研究结合了具有细胞亲和性的仿贻贝聚多巴胺和软骨细胞外基质主要成分硫酸软骨素,制备了在无需外源性生长因子条件下用于软骨修复的水凝胶。该水凝胶是通过将聚多巴胺和硫酸软骨素形成的复合物掺入弹性的聚丙烯酰胺网络中而形成的。由于在聚多巴胺和硫酸软骨素复合物中存在动态的非共价相互作用,因此,水凝胶具有良好的压缩性能、可回复性、以及高韧性,能够满足软骨修复的力学性能要求。体外软骨细胞和骨髓间充质干细胞培养及体内膝关节软骨缺损模型实验证明,具有细胞亲和性和组织粘附性的PDA与能够维持软骨细胞功能、表型和诱导干细胞向软骨分化的硫酸软骨素,发挥协同作用,提供仿软骨细胞外基质的微环境,促进软骨缺损的修复。(4)柔性导电材料被广泛的应用于生物电极、可穿戴或植入电子设备等生物医学领域。但目前还没有一种理想的自粘附超强导电水凝胶能够满足实际应用需要。氧化石墨烯具有丰富的官能团,能够在水溶液中均匀分散,被广泛引入水凝胶体系,以提高水凝胶力学性能。但是,氧化石墨烯(GO)不导电。另一方面,石墨烯(rGO/G)已被用于制造具有超高导电性的石墨烯气凝胶,但石墨烯纳米片在水溶液中易于团聚,限制石墨烯增强水凝胶的力学性能和导电性。本研究采用PDA部分还原GO,并形成GO/rGO复合增强的仿贻贝超强导电自粘附水凝胶,可作为柔性导电材料应用于多种环境。通过控制PDA和GO之间的相互作用,保证GO仅被PDA部分还原成GO和rGO的混合物(pGO)。PDA原位还原的pGO不仅在水凝胶中分散均匀,可以提高水凝胶的力学性能,还可赋予水凝胶良好的导电性。而水凝胶中的PDA组分在还原GO后还存留酚羟基,赋予水凝胶良好的组织粘性。所以,与常规的导电水凝胶不同,本研究制备的水凝胶不需要额外的粘附胶带,可直接粘附在肌体上检测人体生理信号。另外,水凝胶具有良好的细胞相容性和细胞亲和性。结合水凝胶的导电性,在电刺激作用下,水凝胶可以对细胞行为进行调控。这种导电自粘附水凝胶还可以作为生物电子器件植入体内研究活体组织行为。本研究解决了水凝胶导电性与细胞亲和性难以兼具的难题,优化得到了具有良好的形变和韧性、导电性、自粘附、自修复性能和生物相容性的水凝胶,其具有作为生物电子器件的潜力。(5)导电水凝胶虽然有广泛的应用前景,但目前其最大的局限是对环境敏感,在低温或高温、甚至长时间放置后,由于水分丢失,导致其性能减弱。本研究基于量子力学计算指导,通过精心设计反应体系,以丙三醇-水二元混合溶剂替代传统水凝胶中的单一水溶剂;并受贻贝粘附启发,采用聚多巴胺对碳纳米管表面修饰,将其复合于高分子网络,制备了抗冻、耐热、导电、超强、自粘附水凝胶。该醇/水混合凝胶网络中的丙三醇与水之间强大的氢键作用使水分子牢固地锚定在聚合物网络中,使得该醇/水混合凝胶具有抗冻、耐热性以及长期稳定性。动物烧伤、冻伤模型证明该水凝胶在伤口敷料、生物电子学领域具有良好的应用潜力,还可在极端条件如极地探险、登山、滑雪等领域有广阔应用前景。
【学位授予单位】:西南交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:R318.08;TQ427.26

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