N端接枝改性胶原的制备及性能研究

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胶原由于其良好的生物相容性而被广泛的应用于生物医学领域。通过聚合物接枝改性,可以将其优异的理化性能与胶原自身的生物活性有机结合,从而获得兼具胶原和聚合物优异性能的新颖生物医学材料。但是现有的常规接枝改性方法中接枝位点是随机的,导致产物往往混合各种由位置异构体组成的异质物。为了获得结构专一的接枝改性胶原,选择胶原的特定位点进行精准接枝改性尤为重要。而胶原的N端是共翻译转运和翻译后修饰(PTM)的重要区域,通过针对胶原的N端氨基进行接枝改性,进而研究N端修饰对胶原理化性能的影响机制,对新颖胶原基材料的创制具有重要的科学意义。在此基础上,本论文以实验室自提的具端肽天然草鱼皮胶原(ASC)为原材料,采用封闭胶原表面活性氨基→酶切端肽形成全新氨基→N端氨基接枝改性的策略,实现胶原N端氨基的响应性聚合物精准接枝改性,进而针对所得N端精准接枝改性胶原的结构和性能进行表征,揭示N端响应性聚合物接枝对改性胶原的性能调控机制。主要研究内容如下:(1)N端接枝聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)的琥珀酰化胶原(SPSC-PNIPAAm)的制备及其性能研究:在对胶原进行琥珀酰化与酶切端肽后,采用温敏性聚合物PNIPAAm对胶原N端进行精准接枝。TNBS比色法、凝胶渗透色谱(GPC)、浊度实验证明了PNIPAAm被成功接枝到胶原的N端氨基上,分子量约为4257 Da;圆二色普(CD波长扫描)表明接枝过程不会影响胶原的三螺旋结构;浊度法和流变学实验结果表明改性胶原具备明显的温敏相变行为;圆二色普(CD温度扫描)表明N端接枝PNIPAAm提高了琥珀酰化胶原三螺旋热稳定性(从31.6℃提高至36.7℃);水溶性实验表明琥珀酰化与N端接枝PNIPAAm能显著提升胶原的水溶性和水溶解速率;CCK8细胞实验表明SPSC-PNIPAAm仍具备良好的细胞相容性。(2)N端接枝聚丙烯酸(PAA)的琥珀酰化胶原(SPSC-PAA)的制备及其性能研究:在对胶原进行琥珀酰化与酶切端肽后,采用p H响应性聚合物聚丙烯PAA对胶原N端进行精准接枝。浊度法与流变学实验表明SPSC-PAA具备p H响应性;CD温度扫描与差示扫描量热实验(DSC)揭示了静电相互作用对胶原三螺旋结构与稳定性的调控机理:琥珀酰化与N端PAA接枝给胶原表面引入大量羧基官能团,羧基的电离程度能够影响胶原三螺旋结构空间位阻,从而改变三螺旋结构热稳定性。(3)N端接枝不同分子量聚合物的琥珀酰化胶原的制备及其性能研究:分别在胶原N端接枝短链、中链、长链的PNIPAAm和PAA,构建N端接枝改性胶原样本群,研究接枝聚合物链长对改性胶原理化性能的影响。GPC实验证明了N端接枝的聚合物之间的分子量差异;对于N端接枝PNIPAAm改性胶原样本群,增大PNIPAAm分子量后:浊度实验表明改性胶原的LCST降低,凝胶化速率加快;CD温度扫描表明改性胶原三螺旋热稳定性提升。对于N端接枝PAA改性胶原样本群,增大PAA分子量后:浊度实验表明改性胶原临界相转变p H值降低;CD温度扫描与DSC表明改性胶原在p H=4时其三螺旋热稳定性有一定提高。结合两组样本群实验结果分析,聚合物上的特殊官能团(异丙基、羧基)的数量能影响改性胶原理化性能,可通过改变聚合物分子量到达调控改性胶原性能的目的。本工作着重探究N端接枝改性对改性胶原性能的调控机制,为胶原的精准修饰及其应用提供了新的思路。
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