CN103755998B - 一种表面生物活性和生物惰性的聚合物基材的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表面生物活性和生物惰性的聚合物基材的制备方法，该方法是在聚合物基材表面滴加反应液，然后覆盖石英板或光掩模，在紫外光下照射，所述的反应液是N-乙酰基乙二胺的丙酮溶液，得到表面具有生物活性的聚合物基材，且表面的生物活性基团为伯氨基；所述的反应液是聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯、2-羟基乙基甲基丙烯酸酯、N-(2-羟丙基)甲基丙烯酰胺或丙烯酰胺羧基甜菜碱与N,N-二甲基甲酰胺的混合物，得到表面具有生物惰性的聚合物基材。本发明方法不需要精细的表面修饰过程，操作简单，制备效率高，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用酰胺光化学法制备表面具有生物活性和生物惰性的聚合物基材的方法。
背景技术
生物活性和生物惰性有机表面被广泛应用在生物医学领域。新材料技术与生物技术、医药技术、信息技术、制造技术等不断交互融合，促使新型生物医用材料和制品层出不穷。其中，生物活性材料及其表面改性技术等代表了新的发展方向。等报道，在生物活性表面上键合功能性生物分子或物质，可提供重要的生物功能(H.G.J.-F.Lutz,BioactiveSurfaces,inAdvancesinPolymerScience,Vol.240,Springer,Berlin,Germany2011)。而Hucknall小组报道生物惰性表面可以防止非特异性的生物分子或细胞吸附。生物惰性基材的使用，一方面可在目标蛋白质表面固定过程中，有效降低溶液中干扰分子对于表面的非特异性吸附，从而实现直接从实际未纯化液体中提取和固定所需蛋白质；另一方面，当把表面固定的目标蛋白质进一步用于与实际未纯化液体中的分析物进行分子识别时（如抗体/抗原免疫分析），生物惰性基材的使用可以有效降低实际未纯化液体中干扰分子在背景上的非特异性吸附，达到降低背景信号强度、增加信噪比的目的，最终极大增加检测、分析灵敏度，实现高灵敏度地定性及定量检测、分析(A.Hucknall,S.Rangarajan,A.Chilkoti,Adv.Mater.2009,21,2441)。这两类表面都需要精细的表面修饰过程，才能使表面的界面化学结构和物理结构最适宜。例如，Choi、Abell和Gautrot通过羟基与羧基之间的N,N-琥珀酰氨基碳酸酯/4-二甲氨基吡啶催化偶联反应来构筑生物素(biotin)封端的POEGMA刷(LeeBS,ChiYS,LeeKB,KimYG,ChoiIS.Biomacromolecules2007;8:3922-3929；Trmcic-CvitasJ,HasanE,RamstedtM,LiX,CooperMA,AbellC,HuckWTS,GautrotJE.Biomacromolecules2009;10:2885-2894.)，引入的biotin端基可以进一步与链霉亲和素(streptavidin,SAv)结合，从而可以进一步固定biotin封端的蛋白质分子。Klok等则通过使用对硝基苯基氯甲酸酯对POEGMA末端羟基的活化作用来结合苄基鸟嘌呤，并进一步用其与抗球蛋白融合蛋白(AGT)的偶联反应来实现POEGMA刷的选择性蛋白质功能化(TuguluS,ArnoldA,SielaffI,JohnssonK,KlokHA.Biomacromolecules2005;6:1602-1607)。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种表面具有生物活性和生物惰性的聚合物基材的简易制备方法，该方法操作简单，制备效率高，成本低。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：在聚合物基材表面滴加反应液，然后覆盖石英板或光掩模，在紫外光下照射，得到表面生物活性或生物惰性的聚合物基材。
上述的反应液是0.08～0.1g/mLN-乙酰基乙二胺的丙酮溶液时，得到表面生物活性的聚合物基材，且表面的生物活性基团为伯氨基；上述的反应液是聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯、2-羟基乙基甲基丙烯酸酯、N-(2-羟丙基)甲基丙烯酰胺或丙烯酰胺羧基甜菜碱与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为0.25～9:1的混合物时，得到表面生物惰性的聚合物基材，所述的聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯、2-羟基乙基甲基丙烯酸酯均由sigma提供，聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯的平均分子量为300、500、900、1500或4000，N-(2-羟丙基)甲基丙烯酰胺由成都艾科达化学试剂有限公司提供，丙烯酰胺羧基甜菜碱根据文献方法合成，具体方法为：将二甲氨基丙胺（7.8g，55mmol，由梯希爱（上海）化成工业发展有限公司提供）溶解于100mL四氢呋喃中，冷却至0℃，在氩气保护下，缓慢加入溶解于40mL四氢呋喃的β-丙内酯（5.0g，69mmol，由梯希爱（上海）化成工业发展有限公司提供），4℃下反应24小时，白色沉淀用无水四氢呋喃和石油醚清洗，得到丙烯酰胺羧基甜菜碱。
上述的聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯、2-羟基乙基甲基丙烯酸酯、N-(2-羟丙基)甲基丙烯酰胺或丙烯酰胺羧基甜菜碱与N,N-二甲基甲酰胺的体积比优选3～6:1，最佳为4:1。
本发明的聚合物基材具体可以是聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚丙烯薄膜、低密度聚乙烯薄膜等。
本发明的有益效果是：
1、本发明可以将化学活性的伯胺基团高效快速地引入到惰性聚合物基材表面，从而使所得到的生物活性表面成为一种可以通过伯胺基的生物偶联反应直接与目标分子键合的活性胺化聚合物表面。
2、本发明生物惰性的抗污聚合物，可以简单有效地接枝到任意的聚合物基材上，从而在有机聚合材料上快速实现生物活性到生物惰性的转变。
3、本发明方法不需要精细的表面修饰过程，操作简单，制备效率高，成本低。
附图说明
图1是紫外光照射时间对PET表面伯胺基接枝率的影响。
图2是实施例5得到的表面生物活性的BOPP的XPS图。
图3是实施例6得到的表面生物活性的LDPE的XPS图。
图4是实施例7得到的表面生物惰性的BOPP的红外光谱图。
图5是实施例7得到的表面生物惰性的BOPP的XPS图中C1s分峰图。
图6是实施例7得到的表面生物惰性的BOPP的XPS图中O1s分峰图。
图7是对比实施例1得到的改性PET的光学3D图。
图8是实施例8得到的表面生物惰性PET的光学3D图。
图9是实施例1得到的表面生物活性的PET吸附异硫氰酸荧光素标记链霉亲和素后的荧光图。
图10是图9中沿箭头方向的荧光强度图。
图11是实施例1得到的表面生物活性的PET吸附辣根过氧化物酶后经酶底物显色剂染色的光学图。
图12是实施例7得到的表面生物惰性的BOPP吸附辣根过氧化物酶后经酶底物显色剂染色的光学图。
图13是实施例9得到的表面生物惰性的BOPP吸附辣根过氧化物酶后经酶底物显色剂染色的光学图。
图14是实施例10得到的表面生物惰性的BOPP吸附辣根过氧化物酶后经酶底物显色剂染色的光学图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
将聚对苯二甲酸乙二醇酯膜（PET）剪成4cm×7cm的小片，在甲醇中超声清洗20分钟，然后用丙酮索氏提取12小时以除去杂质，干燥后平放在石英板上，将30μL0.1g/mLN-乙酰基乙二胺的丙酮溶液铺展到聚对苯二甲酸乙二醇酯膜上，然后盖上光掩模，放入光化学反应仪中用1000W的高压汞灯在8000μW/cm2的紫外光下照射8分钟，然后取出用丙酮索氏提取8小时以除去未反应的小分子和副产物，得到表面生物活性的PET。
实施例2
本实施例用1000W的高压汞灯在8000μW/cm2的紫外光下照射2分钟，其他步骤与实施例1相同，得到表面生物活性的PET。
实施例3
本实施例用1000W的高压汞灯在8000μW/cm2的紫外光下照射4分钟，其他步骤与实施例1相同，得到表面生物活性的PET。
实施例4
本实施例用1000W的高压汞灯在8000μW/cm2的紫外光下照射16分钟，其他步骤与实施例1相同，得到表面生物活性的PET。
发明人利用茚三铜反应，证明实施例1～4得到的PET表面生物活性基团为伯胺基，并通过紫外分光光度计测试实施例1～4得到的表面生物活性的PET上伯胺基的浓度，结果见图1。由图可见，用1000W的高压汞灯在8000μW/cm2的紫外光照射下，照射时间越长，伯胺基的接枝率越大，当光照时间超过8分钟，PET表面伯胺基的接枝率基本不变，说明PET表面的伯胺基已达到饱和。
实施例5
本实施例的聚合物基材是聚丙烯薄膜（BOPP），其他步骤与实施例1相同，得到表面生物活性的BOPP。由图2可见，在BOPP表面接枝上了氨基。
实施例6
本实施例的聚合物基材是低密度聚乙烯薄膜（LDPE），其他步骤与实施例1相同，得到表面生物活性的LDPE。由图3可见，在LDPE表面接枝上了氨基。
实施例7
将30μL平均分子量为300的聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为4:1的混合物铺展到BOPP上，其他步骤与实施例1相同，得到表面生物惰性的BOPP。由图4～6可见，在BOPP表面接枝上了O-C=O、C-O-C，说明聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯接枝到了BOPP表面。
实施例8
将30μL平均分子量为300的聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为4:1的混合物铺展到PET上，其他步骤与实施例1相同，得到表面生物惰性的PET。
对比实施例1
将30μL平均分子量为300的聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯直接铺展到PET上，其他步骤与实施例1相同，得到改性PET。
发明人采用光学显微镜对实施例7得到的表面生物惰性的PET和对比实施例1得到的改性PET进行形貌表征，结果分别见图7和图8。由图可见，不添加N,N-二甲基甲酰胺时，紫外光照射后PET表面基本没有接枝上聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯，而添加N,N-二甲基甲酰胺后，PET表面才能接枝上聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯，使PET表面具有生物惰性，说明N,N-二甲基甲酰胺在PET表面接枝聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯中起着重要作用。
实施例9
将30μL2-羟基乙基甲基丙烯酸酯与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为4:1的混合物铺展到BOPP上，其他步骤与实施例1相同，得到表面生物惰性的BOPP。
实施例10
将30μL丙烯酰胺羧基甜菜碱与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为4:1的混合物铺展到BOPP上，其他步骤与实施例1相同，得到表面生物惰性的BOPP。
实施例11
将30μL平均分子量为900的聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为0.25:1的混合物铺展到PET上，其他步骤与实施例1相同，得到表面生物惰性的PET。
实施例12
将30μLN-(2-羟丙基)甲基丙烯酰胺与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为3:1的混合物铺展到PET上，其他步骤与实施例1相同，得到表面生物惰性的PET。
实施例13
将30μL平均分子量为4000的聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为6:1的混合物铺展到PET上，其他步骤与实施例1相同，得到表面生物惰性的PET。
为了证明本发明的有益效果，发明人进行了大量的实验室研究试验，各种试验情况如下：
将实施例1中表面生物活性的PET浸润在pH值为6.2、戊二醛质量浓度为5%的磷酸盐缓冲溶液中，室温下培养12小时，取出充分清洗后，将1mg/mL异硫氰酸荧光素标记链霉亲和素的4-羟乙基哌嗪乙磺酸溶液铺展到其表面，室温下培养2小时，然后用pH值为7.4的4-羟乙基哌嗪乙磺酸水溶液充分清洗吸附链霉亲和素后的表面，排除非特异性吸附。由图9和图10可见，实施例1得到的表面生物活性的PET表面可以有效吸附链霉亲和素。
发明人按照上述方法将1mg/mL辣根过氧化物酶的4-羟乙基哌嗪乙磺酸溶液铺展到实施例1得到的表面生物活性的PET表面，由图11可见，经酶底物显色剂染色后，PET表面接枝伯胺基的区域出现了明显的红色图案化微阵列，说明表面生物活性的PET可以有效吸附辣根过氧化物酶，其它区域显浅红色，是因为PET身不能有效抵抗非特异性吸附。
发明人按照上述方法分别将1mg/mL辣根过氧化物酶的4-羟乙基哌嗪乙磺酸溶液铺展到实施例7、9、10得到的表面生物惰性的BOPP表面，由图12～14可见，经酶底物显色剂染色后，BOPP表面接枝聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯、2-羟基乙基甲基丙烯酸酯和丙烯酰胺羧基甜菜碱的图案化微阵列区域没有出现红色，说明表面生物惰性的BOPP可以有效抵抗辣根过氧化物酶的吸附，其它区域显浅红色，是因为BOPP身不能有效抵抗非特异性吸附。
Claims (5)
1.一种表面生物活性和生物惰性的聚合物基材的制备方法，其特征在于：在聚合物基材表面滴加反应液，然后覆盖石英板或光掩模，在紫外光下照射，得到表面生物活性或生物惰性的聚合物基材；
上述的反应液是0.08～0.1g/mLN-乙酰基乙二胺的丙酮溶液，得到表面生物活性的聚合物基材，且表面的生物活性基团为伯氨基；上述的反应液是聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯、2-羟基乙基甲基丙烯酸酯、N-(2-羟丙基)甲基丙烯酰胺或丙烯酰胺羧基甜菜碱与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为0.25～9:1的混合物，得到表面生物惰性的聚合物基材。
2.根据权利要求1所述的表面生物活性和生物惰性的聚合物基材的制备方法，其特征在于：所述的聚合物基材是聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚丙烯薄膜或低密度聚乙烯薄膜。
3.根据权利要求1所述的表面生物活性和生物惰性的聚合物基材的制备方法，其特征在于：所述的反应液是聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯、2-羟基乙基甲基丙烯酸酯、N-(2-羟丙基)甲基丙烯酰胺或丙烯酰胺羧基甜菜碱与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为3～6:1的混合物，得到表面生物惰性的聚合物基材。
4.根据权利要求1所述的表面生物活性和生物惰性的聚合物基材的制备方法，其特征在于：所述的反应液是聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯、2-羟基乙基甲基丙烯酸酯、N-(2-羟丙基)甲基丙烯酰胺或丙烯酰胺羧基甜菜碱与N,N-二甲基甲酰胺的体积比为4:1的混合物，得到表面生物惰性的聚合物基材。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的表面生物活性和生物惰性的聚合物基材的制备方法，其特征在于：所述的聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯的平均分子量为300、500、900、1500或4000。
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