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以聚砜为基质接枝聚乙二醇聚合物并对聚砜膜进行表面改性

摘要：

氯甲基化聚砜与聚乙二醇盐在碱性（NaH）条件下制备的以聚砜为主链，聚乙二醇为支链的接枝共聚物具有两亲性。

接枝聚合物PSf-g-PEG难溶于水，但有一定亲水性的特性使其具有作为生物涂层材料的潜在应用价值。

PSf-g-PEG膜具有良好的抗蛋白质吸附和细胞粘附作用。

将PEG作为添加剂加入到由浸没沉淀法制得的PSf膜时，接枝共聚物优先偏析到膜的表面，与未修饰的PSf膜相比，接枝膜具有更高的润湿性，孔隙率和抗蛋白质吸附作用。

PSf-g-PEG改性膜的表面特性使其成为理想的血液透析材料替代品。

候选人

关键词：

聚砜;聚乙二醇;表面改性;抗蛋白质;膜;透析

1引言

聚砜（PSf）是一种在血液透析和血浆置换中被广泛使用的膜材料。

1999年，在美国透析相关疾病的监测报告中显示，超过70％的血液透析膜是以PSf为基质的。

良好的热稳定性，机械强度及化学稳定性使得PSf成为一种广泛使用的膜材料;它是为数不多的可承受各种的灭菌技术（蒸汽，环氧乙烷，γ辐射）的生物材料。

PSf可以通过传统的浸没沉淀路线很容易的制成对低分子量蛋白质（<2*104Da）具有高渗透性，高内毒素滞留的多孔质中空纤维或平片血液透析膜。

以类似的方式制备的PSf微孔膜被越来越多地应用于从血浆中分离血细胞。

尽管PSf作为膜材料得到普遍应用，但其疏水性对其在接触血液方面的应用很不利。

PSf血液透析膜吸收血清蛋白后能激活血清蛋白补体替换的并发症可导致严重的具有生命威胁的问题出现，因此在血液透析治疗期间应经常服用抗凝血药，以避免血栓的形成。

另外，在透析过程中的膜蛋白沉积能降低通量并导致抗蛋白特性发生改变。

为了解决这些问题，研究人员已经使用了各种方法以改进PSf膜表面亲水性，包括将亲水性聚合物涂覆在PSf表面；通过低温等离子和自由基反应，将亲水层接枝聚合到聚砜膜表面；紫外线或γ辐射作用；亲水组分在聚砜膜表面或内部扩散的化学反应。

例如，Belfort及其团队使用辐射技术，将亲水性单体如2-羟基乙基甲基丙烯酸酯（HEMA），丙烯酸和甲基丙烯酸接枝聚合到PSf膜表面。

与未改性的PSf膜相比，通量及BSA截留率均有所增加。

Higuchi及其团队将磺酰基和羟基端末端基团化学接枝到PSf膜的表面，降低了聚砜膜对蛋白质的吸附量。

Guiver等广泛研究了使用锂化化学对PSf的化学修饰，掺入亲水性组分如羧化和羟基化的衍生物。

一种能避免了额外的加工步骤，并有效的膜表面改性的替代方法是，将两亲性组分加入到疏水性散装材料中，这种材料在膜表面涂布时可以选择性地分散到膜表面，从而产生一个亲水表面。

例如，Chen等通过将磺化或胺化的PSf与PSf混合，制得了具有较高膜通量的PSf膜。

Lshihara及其团队制备了以磷脂聚合物为基质的PSf膜，与空白PSf膜相比，其具有较小的蛋白质吸附量和较低的血小板粘附性。

Hancock等用聚砜/聚（环氧乙烷）嵌段共聚物（PSF-b-PEO）作为添加剂，以制成抗血小板粘附性的共混膜，而Kim等研究发现，融合了磺化PEO丙烯酸酯嵌段共聚物的PSf膜，能增强亲水性并降低血小板粘附性。

由于PEO具有优良的抗蛋白质吸附性及良好的生物相容性，是一种广泛使用的生物材料。

同样，我们实验室一直致力于利用两亲接枝或梳形共聚物作为表面改性添加剂的膜的研究。

这里，在浸泡沉淀浇铸过程中，膜表面添加剂使聚合物支链形成了一层致密的亲水层，而疏水性的主链则混有膜机体主分，作为添加剂的支撑体。

梳子架构比线性嵌段共聚物在这方面的应用上有优势，因为它减少了膜体积中胶束形成的倾向，增加了熵动力链末端的表面本土化倾向。

与未改性PVDF膜相比，那些用两亲性梳添加剂修饰的膜表现出更好的抗蛋白质吸附，较高的表面孔隙率和即时润湿性。

在目前的研究工作中，我们在聚砜上接枝聚乙二醇制成了具有两亲性的PSf聚合膜PSf-g-PEG，再通过改良的Williamson醚合成反应，制备接枝共聚物的添加剂。

该接枝共聚物以及由此产生的共混膜与那些未改性PSf相比，具有良好的生物相容性，有望用于生物医学设备。

2实验部分

2.1实验药品

PSf，相对分子质量26000g/mol，购自SolvayAdvancedPolymers公司；聚乙二醇甲基醚（PEG-OH，锰含量约350，550，和750g/mol），氢化钠（NaH），多聚甲醛，四氯化锡（SnCl4），三甲基氯硅烷（CH3）3SiCl），磷酸盐缓冲盐水盐（PBS，0.01M，pH7.4），牛血清白蛋白（BSA，组分V），1-甲基-2-吡咯烷酮（NMP），和3-甲基丙烯酰氧基二甲基氯硅烷，均购自AldrichChemicalCompany公司；氯仿（CHCl3），四氢呋喃（THF），甲醇，乙醇，石油醚，和deutrated氯仿，均购自VWR公司。

除THF和PBS的所有试剂均直接使用。

THF需在钠/二苯甲酮的混合物中回流后立即使用。

PBS溶液的制备是在去离子水中溶解PBS盐得到。

去离子水由Millipore公司的Milli-Q过滤体系获得，电阻率为18MΩcm。

2.2聚乙二醇-聚砜的合成

氯甲基化聚砜的合成依照下述类似于Avram及其团队所描述的方法制得。

经典的反应过程为，在圆底烧瓶中，加入33.6mmol（14.88g）聚砜PSf溶解在750ml氯仿中，搅拌。

接着，再加入336mmol（10g）多聚甲醛，3.36mmol（0.39ml）SnCl4，336mmol（42.5ml）（CH3）3SiCl。

将圆底烧瓶置于水浴中加热，连接回流装置，3天后在所需的反应温度（30-60℃）下，将反应混合物用甲醇沉淀析出，再将聚合物进行过滤分离。

继而将上述聚合物溶解在氯仿中，再用甲醇沉淀，过滤并真空下干燥一晚。

PSf-g-PEG共聚物由PSf-CH2Cl通过改良的Williamson醚合成法制得。

经典的反应过程为，将2.5mmolPEG-OH溶解在0.34g/mlTHF中，将2.4mmolNaH溶解于0.01g/mlTHF中，不断搅拌，然后将PEG-OH溶液滴加到该圆底烧瓶中，两小时后，再向该溶液中滴加溶解在15.5mlTHF中的1.38mmolPSf-CH2Cl，使每个重复单元内，氯甲基与PEG-OH的比例为1:

1.4，整个反应在室温，氮气干燥条件下反应72h，然后加入适量乙酸中和碱性溶液以终止反应。

将所得的产物用乙醇与石油醚（体积比为1:

3）的混合物沉淀析出，过滤后，将所得的聚合物溶解在氯仿中，用去离子水沉淀，然后过滤，干燥一晚。

将含有PSf-CH2Cl和PSf-g-PEG的混合物通过1HNMR（Bruker公司的DPX400）进行核磁分析，得出组分含量，接枝聚合物的分子量根据NMR得出的组分含量以及由生产商提高的PSf的分子量计算得出。

2.3膜及膜的制备

起始的PSf均聚物膜及产物PSf-g-PEG接枝共聚物通过在2000rpm条件下，用0.05g/ml氯仿溶液在玻璃载玻片上旋涂制备。

为了抑制层间剥离，载玻片基片先浸渍在5wt%3-甲基丙烯酰氧基二甲基氯硅烷溶液中，保持在40℃的100%乙醇条件下，预处理10min，然后在120℃的干燥炉中干燥1h进行固化。

铸膜液的制备过程是，将4或8g聚合物溶解在20mlNMP溶液中，然后通过0.2mm的微孔真空过滤，脱气。

溶液使用203mm（8mil）门尺寸的施法条，浇铸在含有一层无纺聚酯的第一表面光学镜（艾德蒙科技股份有限公司，巴林顿，新泽西州）上，然后将其浸渍在90℃的去离子水浴中1min，再将所得的膜置于25℃的去离子水浴中一整晚，并储存于去离子水中。

用于膜及膜的研究的接枝共聚物，包含56wt%或41wt%的PEG750。

2.4膜及其表征

用AdvancedSurfaceTechnologies,Inc.公司的VCA2000视频接触角系统对PSf和PSf-g-PEG750膜的接触角进行分析，在去离子水中，膜接触角的动态变化通过5个连续的前进角及4个连续的后退角测定。

将1ml的去离子水置于膜表面，通过视频观察接触角，测定水被膜完全吸收所需的时间，以考察膜的润湿性。

通过KratosAxisUltra（KratosAnalytical,Manchester,England）进行X射线光电子能谱（XPS）分析，XPS采用单色铝嘉源（hv=1486.7eV），相对于样品平面的起始角度为0°，一项调查扫描（0-1100eV的结合能范围内，传递160eV的能量），对每个样品进行C1s和O1s峰（10eV的能量传递）的高分辨率扫描。

将未改性的PSf膜外C1s光谱叠加到混合膜外C1s光谱上，属于PEG的峰面积APEG，.M可确定。

用类似的方法处理，可测定PEG在PSf-g-PEG膜表面的含量，APEG，F。

在膜表面上的PSf-g-PEG接枝共聚物（FS）的体积分数随后可根据公式Фs=APEG，.M/APEG，F计算得出。

膜的表面形貌由发射扫描电子显微镜（SEM，JEOL6320）成像得到，样品被安装在碳磁带架，然后用PelcoSC-7自动溅射镀膜机涂以10nm的金/钯，在2keV加速电压下观察样品。

2.5蛋白质及细胞耐药性研究

在膜及牛血清白蛋白（BSA）膜上进行静态蛋白质吸附实验。

样品最初用磷酸盐缓冲水溶液（PBS，0.01M，pH:

7.4）中清洗1h，然后在室温下，在含有10.0g/L的BSA的0.01MPBS溶液中培养24h。

然后将样品用0.01MPBS洗涤两次，每次5min，然后用去离子水洗涤两次，每次10min。

洗涤后，将样品在室温下真空干燥，并用XPS进行表征，从氮1s的信号，比较的蛋白质吸附的相对量。

用野生型NR6纤维细胞（WTNR6）细胞系，NIH3T3细胞（从艾伦井的匹兹堡大学获得），进行细胞吸附性能研究。

将细胞置于75mm组织培养板中，并且每3天换一次，通过32-34次的细胞将用作吸附实验的细胞，胰蛋白酶-EDTA溶液用作细胞悬浮液。

所有的细胞需在5％二氧化碳，37℃条件下进行培养。

用于细胞培养及吸附实验的材料包括，ModifiedEagles’Medium-a，7.5％胎牛血清，1％的非必需氨基酸（10mM），1％丙酮酸钠（100mM），1％L-谷氨酰胺（200mM），1％青霉素（10,000mg/ml），1％链霉素（10mg/ml），和1％遗传霉素抗生素（35mg/ml）。

以上包含的所有原料购自Gibco公司。

将含有平整的PSf和PSf-g-PEG750旋涂在薄膜圆玻璃片上，用环氧树脂粘附到24孔组织培养聚苯乙烯（TCPS）板上。

未涂覆的圆形玻璃载片粘附在24孔板中作为对照。

分别在孔中接种10,000WTNR6细胞，培养24h和48h。

没有载玻的TCPS也接种有细胞，作为第二控制。

为确定基板或制备方法是否有任何毒性作用，对载玻片之外的边缘也进行了检查。

在所有的实验中，这些区域与TCPS上观察到的相比，表现出类似的细胞粘附性。

3结果与讨论

3.1PSf-g-PEG的合成

图1氯甲基化聚砜的合成及PSf-g-PEG的形成

从图1看出，氯甲基化聚砜的制备是两亲性接枝共聚物合成的第一步，每个重复单元的氯甲基含量（DS，接枝度）是由在4.56ppm的1HNMR谱（表示在图2-a）的质子峰的面积来确定，相对于该基在8.0ppm的准峰值时，它表示最接近于磺酰基的苯环上的4元质子（表示在图2-b）。

元素分析也可用来确定的DS值。

用这两种方法来表示DS值，在PSf-CH2Cl样品中，每个重复单元中的氯≤1.3（见表1），相当于每分子PSf中氯基团≤76。

PSf的前后氯甲基化的GPC迹线是相似的，这表明在反应过程中没有发生任何显著链降解。

表1氯甲基化聚砜的特性数据

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