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苯乙烯类热塑性弹性体(STPE)具有物理机械性能优良、可热塑性成型生物相容性好等优点,被用于制备多种医疗器械。其中,聚(苯乙烯-b-异丁烯-b-苯乙烯)(SIBS)抗氧化、抗水解和抗酶解性能优异,可用于制备体内植入类器械,如心脏支架涂层、人工三叶瓣膜及人工软骨组织等。然而,由于STPE的疏水性,细菌易在其表面粘附,进而形成生物膜,最后产生医疗器械引发的感染。 本论文开展了SIBS的化学、生物修饰研究,构建了几种抗细菌感染的热塑性弹性体医用表面体系,并满足了不同类别医疗器械相应的医用性能要求,如:介入类医疗器械需要优良的血液相容性、植入类医疗器械需要较好的细胞相容性。具体内容如下: 第一部分:苯乙烯类热塑性弹性体滑移表面构建与性能 细菌粘附和生物的形成是医疗器械面临的最严重挑战。构建抗细菌粘附表面是改善材料抗菌性能的重要途径。本部分采用紫外接枝技术,制备了具有褶皱结构、氟化物高分子刷接枝的SIBS表面,该表面能有效地“捕获”氟油,形成完整、平滑的氟油液膜,从而并赋予表面优良的抗凝血和抗菌性能。得到主要结论如下: (1)在紫外光接枝聚合中,通过改变紫外接枝时间,可实现对1H,1H,2H,2H-全氟辛基甲基丙烯酸酯(FMA)接枝密度的有效调控。与此同时,FMA的溶剂通过渗透驱动作用在SIBS表面形成粗糙的褶皱结构。 (2)粗糙的褶皱结构和PFMA分子刷与全氟萘烷间的范德华力可使氟油在材料表面形成完整、稳定的低表面能液膜,即得到了滑移表面(FLIWS)。 (3)参比SIBS原样,FLIWS样表面纤维蛋白原吸附量降低约96%,基本无血小板粘附,且凝血指数增大至95%左右。这表明FLIWS能够有效地抑制蛋白质吸附、血小板粘附和凝血的发生,具有优异的血液相容性。 (4)结晶紫染色法定量统计分析发现,FLIWS表面大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的粘附量分别降低了约98.8%和96.9%,表现出优异的抗细菌粘附性能。 第二部分:苯乙烯类热塑性弹性体杀菌-抗污转化表面构建与性能 对材料进行抗细菌粘附性能或杀菌性能改性,是获得抗菌性能的两个主要途径。尽管抗污表面能够抑制初试细菌的粘附,但在手术过程中仍会有可能将细菌进入病患体内;杀菌策略则易对人体细胞产生毒性。本部分采用Friedel-Crafts反应制备了苄基氯化的SIBS(SIBS-Cl),随后利用苄基氯与3-(二甲氨基)丙酸甲酯(MAP)反应,获得了阳离子羧酸甜菜碱酯功能化的SIBS(Q-SIBS),在碱性条件下能水解羧酸甜菜碱酯的末端酯基,得到内盐化的SIBS抗污表面。从而,实现医用材料在存储时杀菌,在接触人体时具备优异的血液相容性。得到主要结论如下: (1)核磁共振氢谱(1H NMR)和表面全反射傅里叶红外光谱(ATR-FTIR)证实了相关反应的发生,即;Friedel-Crafts氯甲基化反应、苄基氯与3-(二甲氨基)丙酸甲酯(MAP)间的季胺化反和羧酸甜菜碱酯末端酯基的水解反应。 (2) Q-SIBS杀菌表面转化为Z-SIBS抗污表面后,水接触角从约75°大幅降低到约40°,相应地蛋白质吸附量、血小板粘附数量均显著地下降。 (3)细菌易粘附与疏水的SIBS原样表面(总细菌粘附面积比约为55.1%),且大部分为活细菌(活细菌粘附面积比约为53.0%);尽管Q-SIBS表面细菌粘附量也较大(总细菌粘附面积比约为35.5%),但大部分细菌已被杀死(活细菌粘附面积比约为6.1%),同时细胞毒性大;Q-SIBS表面不仅明显地抑制细菌粘附(总细菌粘附面积比约为5.2%),且细胞毒性最低。 第三部分:抗感染促细胞增殖聚多糖双功能表面构建与性能 天然聚阴离子多糖-透明质酸(HA)促进细胞增殖,但抑制细胞粘附;而天然聚阳离子多糖-壳聚糖(CS)具有促进细胞粘附和杀菌性能。基于仿贻贝表面粘附改性技术,在SIBS表面粘附了稳定的聚多巴胺反应层,随后先后化学固定HA和CS。从而赋予表面抗菌和促进细胞增殖性能,以更好地满足体内植入类器械的临床要求。得到如下结论: (1)参比SIBS原样、SIBS-CS样和SIBS-HA样,SIBS-CS-g-HA水接触角最低,抗蛋白质吸附能力最强。 (2) SIBS表面共接枝CS和HA后,表面,总细胞铺张面积和单细胞铺展面积均明显地增大,有利于细胞的粘附与铺展。 (3)细菌粘附和细菌活力试验研究表明,SIBS-CS-g-HA不仅显著地抑制细菌粘附,而且具有很强的杀菌性能。 第四部分:核酸酶改性表面构建与生物性能 细菌胞外核酸在促进细菌粘附、维持细菌生物膜稳定中起到极为重要的作用。因此,利用核酸酶切断核酸链,可以抑制细菌生物膜的形成。本部分采用紫外光接枝聚合方法,在SIBS表面接枝聚丙烯酸羧基乙酯刷(PCA),通过碳二亚胺复合物活化羧基与核酸酶上胺基反应,构建核酸酶改性的表面。得到主要结论如下: (1) ATR-FTIR和X射线光电子能谱(XPS)证实了丙烯酸羧基乙酯的紫外接枝聚合和核酸酶接枝到表面上。 (2)大肠杆菌(E.coli)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)粘附实验表明,脱氧核糖核酸酶改性样(SIBS-g-PCA-DNase)和核糖核酸酶改性样(SIBS-g-PCA-RNase)均表现出优异的抗细菌粘附性能,参比SIBS原样,它们的细菌粘附面积至少降低了94%以上。 (3)E.coli和S.aureus生物膜形成研究表明,SIBS表面生物膜面积分别为~88.0%和~68.1%,SIBS-g-PCA-DNase表面品生物膜面积分别降至~0.3%和~2.6%,SIBS-g-PCA-RNase表面生物膜面积分别为~1.5%和~21.4%。核酸酶具有优异的抑制生物膜形成性能,其抑制E.coli生物膜形成的性能优于S.aureus,DNase的性能优于RNase。 (4)对核酸酶失活的改性样品,DNase失活的表面E.coli粘附量和生物膜面积均远高于未失活样品,DNase的活性应是抑制细菌粘附和生物膜形成的关键因素;RNase的抗细菌粘附和生物膜形成性能与其活性无明显相关性,优异的亲水性应是重要原因。