本發(fā)明涉及一種含有羧酸甜菜堿類兩性離子前體的改性硅油及其制備方法，以及相應(yīng)的有機(jī)硅材料。

背景技術(shù)：

蛋白質(zhì)在材料表面的非特異性吸附一直是諸多領(lǐng)域所面臨的重要問(wèn)題，在醫(yī)用植入體、藥物載體、船舶涂料、生物傳感器等各個(gè)方面都不容忽視。為了解決這一系列問(wèn)題，抗蛋白質(zhì)非特異性吸附(nonfouling)材料應(yīng)運(yùn)而生。研究發(fā)現(xiàn)，抗蛋白質(zhì)非特異性吸附材料不僅能夠有效防止發(fā)生血液接觸體系中的凝血過(guò)程的產(chǎn)生，而且可以應(yīng)用到防止廣泛的固液界面的生物大分子吸附過(guò)程導(dǎo)致的人體排異和清除反應(yīng)、細(xì)菌吸附、以及各種生物結(jié)垢現(xiàn)象的產(chǎn)生，其中包括生物膜的形成、藻類的生長(zhǎng)，以致于表面吸附的貝類的生長(zhǎng)。僅防止細(xì)菌吸附和生物膜的形成就可以為防止生物植入體引起的感染取得寶貴的時(shí)間。

近年來(lái)，科學(xué)家及學(xué)者們對(duì)nonfouling材料的研究十分重視和普遍，然而，能在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮良好作用的材料卻相對(duì)有限，之前被廣泛應(yīng)用的聚乙二醇(PEG)材料在使用中也出現(xiàn)了越來(lái)越多的局限性，故對(duì)兩性離子材料的研究受到了越來(lái)越多的重視。兩性離子聚合材料目前被認(rèn)為是應(yīng)用前景最為光明的nonfouling材料，它包括在每個(gè)單元上同時(shí)攜帶一個(gè)正電荷和一個(gè)負(fù)電荷的聚甜菜堿類材料和在兩個(gè)不同單元上攜帶等量正負(fù)電荷的聚兩性電解質(zhì)材料兩大類。與親水性聚合材料PEG不同的是，兩性離子聚合材料并非依靠氫鍵與水分子結(jié)合，而是通過(guò)離子的溶劑化作用緊密結(jié)合水分子，在材料表面形成一個(gè)致密的水合層，從而賦予材料抗蛋白質(zhì)非特異性吸附的性能。兩性離子聚合材料合成路徑簡(jiǎn)單方便，原材料豐富易得，應(yīng)用廣泛，成本較低，隨著其研究的深入，近年來(lái)已經(jīng)得到越來(lái)越多的關(guān)注和認(rèn)可。

船舶抗污涂料是nonfouling材料應(yīng)用的一個(gè)重要方面，傳統(tǒng)的抗污涂料，如有機(jī)錫類、含銅化合物類，對(duì)環(huán)境的毒害作用十分明顯，故逐漸被人們棄用，nonfouling材料的興起能有效解決傳統(tǒng)涂料對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題，是一種環(huán)境友好型的船舶抗污涂料，然而其憎水性和耐水性不佳一直是限制其廣泛應(yīng)用的主要原因。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種含有羧酸甜菜堿類兩性離子前體的改性硅油及其制備方法和有機(jī)硅材料。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是：本發(fā)明含有羧酸甜菜堿類兩性離子前體的改性硅油具有如以下式Ⅰ所示的結(jié)構(gòu)：

式Ⅰ中，0<n≤800。

本發(fā)明改性硅油的制備方法包括：

步驟a：將具有如式Ⅱ所示結(jié)構(gòu)的第一化合物、如式Ⅲ所示結(jié)構(gòu)的第二化合物、含鉑催化劑、酚類阻聚劑和第一溶劑混合后進(jìn)行硅氫加成反應(yīng)，得到如式Ⅳ所示結(jié)構(gòu)的第三化合物，式Ⅲ和式Ⅳ中，0<n≤800；

步驟b：將第三化合物、含錫催化劑、肌氨酸酯和第二溶劑混合后進(jìn)行環(huán)氧基團(tuán)開(kāi)環(huán)反應(yīng)，得到所述改性硅油；

進(jìn)一步地，在本發(fā)明所述步驟a中，所述第一化合物與第二化合物中的Si-H鍵的摩爾比為1:0.6～0.7，第一化合物、含鉑催化劑、酚類阻聚劑和第一溶劑的質(zhì)量比為1:0.001～0.005:0.001～0.005:2～15，所述硅氫加成反應(yīng)的反應(yīng)溫度為80～110℃、反應(yīng)時(shí)間為4～8小時(shí)。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明所述步驟b中，所述肌氨酸酯與第三化合物中的環(huán)氧基團(tuán)的摩爾比為1:1，所述環(huán)氧基團(tuán)開(kāi)環(huán)反應(yīng)的反應(yīng)溫度為70～80℃、反應(yīng)時(shí)間為8～12h。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述肌氨酸酯為肌氨酸叔丁酯。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述第一化合物為烯丙基縮水甘油醚，第二化合物為含氫硅油。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述含錫催化劑為異辛酸亞錫(Sn(Oct)₂)，含鉑催化劑為Karetedt鉑催化劑，酚類阻聚劑為2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚。

利用本發(fā)明的改性硅油制備有機(jī)硅材料的方法為：將所述改性硅油經(jīng)交聯(lián)反應(yīng)得到有機(jī)硅材料。

進(jìn)一步地，在本發(fā)明所述改性硅油中加入易揮發(fā)的不含活潑氫的有機(jī)溶劑和交聯(lián)劑，經(jīng)交聯(lián)反應(yīng)后固化得到所述有機(jī)硅材料。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述交聯(lián)劑為含多異氰酸基團(tuán)的分子。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明在研究和開(kāi)發(fā)抗蛋白質(zhì)非特異性吸附材料的基礎(chǔ)上，改進(jìn)傳統(tǒng)兩性離子類聚合物材料在耐水性方面的缺陷，公開(kāi)了一種含有羧酸甜菜堿類兩性離子前體的改性硅油及其制備方法和應(yīng)用，該改性硅油經(jīng)交聯(lián)固化成膜后制得的有機(jī)硅材料，具有良好抗蛋白質(zhì)非特異性吸附特性和耐水性。具體如下：

(1)傳統(tǒng)的兩性離子類聚合物材料改良了PEG的長(zhǎng)效性，具有良好的抗蛋白質(zhì)非特異性吸附性能，但往往耐水性較差，在應(yīng)用于水相環(huán)境時(shí)，水分子極易進(jìn)入材料內(nèi)部，導(dǎo)致其溶脹變形，機(jī)械強(qiáng)度降低，物化性質(zhì)改變，如在船舶抗污涂料領(lǐng)域，易導(dǎo)致涂層溶脹后易劃傷、甚至從船體表面脫落。而傳統(tǒng)有機(jī)硅材料由于其硅氧烷的憎水性結(jié)構(gòu)，耐水性極佳，且具有較好的生物安全性和化學(xué)惰性，但缺乏抗蛋白質(zhì)、細(xì)胞及細(xì)菌等的吸附能力，因此應(yīng)用于生物材料領(lǐng)域仍有明顯不足。本發(fā)明改性硅油不僅為制備有機(jī)硅材料提供了有機(jī)硅主鏈結(jié)構(gòu)和易交聯(lián)基團(tuán)，而且富含酸羧酸甜菜堿類兩性離子前體酯，使有機(jī)硅材料降解時(shí)能通過(guò)有機(jī)硅主鏈結(jié)構(gòu)的降解，且降解產(chǎn)物有更好的環(huán)境和生物相容性。而富含酸羧酸甜菜堿類兩性離子前體酯能在水解后產(chǎn)生抗非特異性吸附性能。本發(fā)明有機(jī)硅材料是在有機(jī)硅憎水主鏈的基礎(chǔ)上，側(cè)鏈引入了兩性離子前體結(jié)構(gòu)，交聯(lián)成膜后同時(shí)兼顧了良好的抗蛋白質(zhì)非特異性吸附性能和耐水性。其抗蛋白質(zhì)非特異性吸附性能與聚甲基丙烯酸羧酸甜菜堿類兩性離子前體酯和聚丙烯酸羧酸甜菜堿類兩性離子前體酯等相比在同一水平，而耐水性明顯提高。

(2)本發(fā)明有機(jī)硅材料仍然保持了有機(jī)硅材料的主鏈結(jié)構(gòu)，使其能夠保留有機(jī)硅材料的透氧性能力和降解能力。與聚甲基丙烯酸羧酸甜菜堿類兩性離子前體酯和聚丙烯酸羧酸甜菜堿類兩性離子前體酯等相比，具有更好的透氧性能力和降解能力。

由此，本發(fā)明含有羧酸甜菜堿類兩性離子前體的改性硅油在船舶抗污涂料、生物材料等的研究中具有廣闊應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)施例1所合成的第三化合物(環(huán)氧改性有機(jī)硅油)的核磁譜圖；

圖2是實(shí)施例1所合成的有機(jī)硅油的核磁譜圖；

圖3是實(shí)施例5中所合成的有機(jī)硅材料的抗非特異性蛋白質(zhì)吸附性能測(cè)試結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明有機(jī)硅材料的合成路線如下所示：

以下以具體的實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明中一種含有羧酸甜菜堿類兩性離子前體的改性硅油及其制備方法和應(yīng)用。

實(shí)施例1：

(1)含氫硅油的硅氫加成反應(yīng)：向三口燒瓶中加入13.38g(0.116mol，記為1.5eq)第一化合物(烯丙基縮水甘油醚)、55mg Karstedt催化劑、66.9mg阻聚劑2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)和100g無(wú)水甲苯，充分?jǐn)嚢杈鶆颉Ｔ贜₂保護(hù)的密閉條件下，預(yù)熱升溫至60℃，30min后，升溫至80℃，攪拌，緩慢滴加含5.00g第二化合物(含氫硅油)(含Si-H鍵0.077mol，1.0eq，結(jié)構(gòu)式如式Ⅲ所示)的50g無(wú)水甲苯溶液。攪拌反應(yīng)5h，得淡黃色溶液。將上述淡黃色溶液進(jìn)行旋蒸，將所得粘稠溶液在甲醇-水混合液中沉淀兩次(第一次體積比為V_甲醇：V_水＝1:1，第二次為V_甲醇：V_水＝1:2)，第三次用蒸餾水沉淀，棄去上清液。在適量乙酸乙酯中溶解，加入無(wú)水硫酸鈉干燥。抽濾除去不溶物，濾液30℃旋蒸除去溶劑，得到的油狀液體即第三化合物。第三化合物為環(huán)氧改性有機(jī)硅油。第三化合物在氘代氯仿中的¹H-NMR譜圖如圖1所示。產(chǎn)物中的各個(gè)H原子所對(duì)應(yīng)的峰已在圖1中標(biāo)出，未標(biāo)出的為雜質(zhì)峰。其中，化學(xué)位移為4.67ppm處峰是因硅氫加成反應(yīng)不完全而留下的Si-H鍵上的氫原子。將此圖1與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)圖譜進(jìn)行比對(duì)，根據(jù)峰面積計(jì)算硅氫加成反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。由圖1可知，雜質(zhì)峰較少，雜質(zhì)主要為溶劑乙酸乙酯，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率約為90％。

(2)環(huán)氧基團(tuán)開(kāi)環(huán)反應(yīng)：將2.56g(0.0167mol，記為1.5eq)肌氨酸叔丁酯鹽酸鹽充分溶解于50mL DMF中，加入3.37g(0.0333mol，3.0eq)三乙胺，析出白色晶體，抽濾除去不溶物。將濾液置于100mL圓底燒瓶中，加入2.00g(0.0111mol，1.0eq)第三化合物及催化劑Sn(Oct)₂，75℃下攪拌反應(yīng)8h得黃色溶液。將其用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器旋蒸(65℃)除去三乙胺及大部分DMF，所得黏稠液體即為有機(jī)硅油的粗產(chǎn)物。將粗產(chǎn)物溶于少量二氯甲烷中，用乙醚沉淀2～3次，棄去上清液，下層沉淀溶于乙酸乙酯后，加入無(wú)水硫酸鈉干燥。抽濾除去不溶物，濾液30℃旋蒸除溶劑，得到的黏稠液體即改性硅油，該改性硅油在氘代氯仿中的¹H-NMR譜圖如圖2所示。產(chǎn)物中的主要?dú)湓铀鶎?duì)應(yīng)的峰已在圖2中標(biāo)出，雜質(zhì)峰和部分甲基峰未標(biāo)出。雜質(zhì)峰主要為溶劑乙酸乙酯、二氯甲烷。實(shí)施例2：

(1)含氫硅油的硅氫加成反應(yīng)：向三口燒瓶中加入13.38g(0.116mol，記為1.5eq)第一化合物(烯丙基縮水甘油醚)、13mg Karstedt催化劑、13mg阻聚劑2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)和17.84g無(wú)水甲苯，充分?jǐn)嚢杈鶆颉Ｔ贜₂保護(hù)的密閉條件下，預(yù)熱升溫至65℃，30min后，升溫至110℃，攪拌，緩慢滴加含4.50g第二化合物(含氫硅油)(含Si-H鍵0.069mol，0.9eq，結(jié)構(gòu)式Ⅲ所示)的8.92g無(wú)水甲苯溶液。攪拌反應(yīng)4h，得淡黃色溶液。將上述淡黃色溶液進(jìn)行旋蒸，將所得粘稠溶液在甲醇-水混合液中沉淀兩次(第一次體積比為V_甲醇：V_水＝1:1，第二次為V_甲醇：V_水＝1:2)，第三次用蒸餾水沉淀，棄去上清液。在適量乙酸乙酯中溶解，加入無(wú)水硫酸鈉干燥。抽濾除去不溶物，濾液30℃旋蒸除去溶劑，得到的油狀液體即第三化合物。

(2)環(huán)氧基團(tuán)開(kāi)環(huán)反應(yīng)：將2.56g(0.0167mol，記為1.5eq)肌氨酸叔丁酯鹽酸鹽充分溶解于50mL DMF中，加入3.37g(0.0333mol，3.0eq)三乙胺，析出白色晶體，抽濾除去不溶物。將濾液置于100mL圓底燒瓶中，加入3.00g(0.0167mol，1.5eq)第三化合物及催化劑Sn(Oct)₂，70℃下攪拌反應(yīng)12h得黃色溶液。將其用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器旋蒸(65℃)除去三乙胺及大部分DMF，所得黏稠液體即為有機(jī)硅油的粗產(chǎn)物。將粗產(chǎn)物溶于少量二氯甲烷中，用乙醚沉淀2～3次，棄去上清液，下層沉淀溶于乙酸乙酯后，加入無(wú)水硫酸鈉干燥。抽濾除去不溶物，濾液30℃旋蒸除溶劑，得到的黏稠液體即改性硅油。

實(shí)施例3：

(1)含氫硅油的硅氫加成反應(yīng)：向三口燒瓶中加入13.38g(0.116mol，記為1.5eq)第一化合物(烯丙基縮水甘油醚)、67mg Karstedt催化劑、67mg阻聚劑2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)和134g無(wú)水甲苯，充分?jǐn)嚢杈鶆颉Ｔ贜₂保護(hù)的密閉條件下，預(yù)熱升溫至60℃，30min后，升溫至80℃，攪拌，緩慢滴加含5.00g第二化合物(含氫硅油)(含Si-H鍵0.077mol，1.0eq，結(jié)構(gòu)式Ⅲ所示)的72g無(wú)水甲苯溶液。攪拌反應(yīng)8h，得淡黃色溶液。將上述淡黃色溶液進(jìn)行旋蒸，將所得粘稠溶液在甲醇-水混合液中沉淀兩次(第一次體積比為V_甲醇：V_水＝1:1，第二次為V_甲醇：V_水＝1:2)，第三次用蒸餾水沉淀，棄去上清液。在適量乙酸乙酯中溶解，加入無(wú)水硫酸鈉干燥。抽濾除去不溶物，濾液30℃旋蒸除去溶劑，得到的油狀液體即第三化合物。

(2)環(huán)氧基團(tuán)開(kāi)環(huán)反應(yīng)：將2.56g(0.0167mol，記為1.5eq)肌氨酸叔丁酯鹽酸鹽充分溶解于50mL DMF中，加入3.37g(0.0333mol，3.0eq)三乙胺，析出白色晶體，抽濾除去不溶物。將濾液置于100mL圓底燒瓶中，加入3.00g(0.0167mol，1.5eq)第三化合物及催化劑Sn(Oct)₂，80℃下攪拌反應(yīng)8h得黃色溶液。將其用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器旋蒸(65℃)除去三乙胺及大部分DMF，所得黏稠液體即為有機(jī)硅油的粗產(chǎn)物。將粗產(chǎn)物溶于少量二氯甲烷中，用乙醚沉淀2～3次，棄去上清液，下層沉淀溶于乙酸乙酯后，加入無(wú)水硫酸鈉干燥。抽濾除去不溶物，濾液30℃旋蒸除溶劑，得到的黏稠液體即改性硅油。

實(shí)施例4：

(1)含氫硅油的硅氫加成反應(yīng)：向三口燒瓶中加入13.38g(0.116mol，記為1.5eq)第一化合物(烯丙基縮水甘油醚)、40mg Karstedt催化劑、40mg阻聚劑2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)和100g無(wú)水甲苯，充分?jǐn)嚢杈鶆?。在N₂保護(hù)的密閉條件下，預(yù)熱升溫至60℃，30min后，升溫至80℃，攪拌，緩慢滴加含6.00g第二化合物(含氫硅油)(含Si-H鍵0.092mol，1.0eq，結(jié)構(gòu)式Ⅲ所示)的50g無(wú)水甲苯溶液。攪拌反應(yīng)6h，得淡黃色溶液。將上述淡黃色溶液進(jìn)行旋蒸，將所得粘稠溶液在甲醇-水混合液中沉淀兩次(第一次體積比為V_甲醇：V_水＝1:1，第二次為V_甲醇：V_水＝1:2)，第三次用蒸餾水沉淀，棄去上清液。在適量乙酸乙酯中溶解，加入無(wú)水硫酸鈉干燥。抽濾除去不溶物，濾液30℃旋蒸除去溶劑，得到的油狀液體即第三化合物。

(2)環(huán)氧基團(tuán)開(kāi)環(huán)反應(yīng)：將2.56g(0.0167mol，記為1.5eq)肌氨酸叔丁酯鹽酸鹽充分溶解于50mL DMF中，加入3.37g(0.0333mol，3.0eq)三乙胺，析出白色晶體，抽濾除去不溶物。將濾液置于100mL圓底燒瓶中，加入3.00g(0.0167mol，1.5eq)第三化合物及催化劑Sn(Oct)₂，80℃下攪拌反應(yīng)8h得黃色溶液。將其用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器旋蒸(65℃)除去三乙胺及大部分DMF，所得黏稠液體即為有機(jī)硅油的粗產(chǎn)物。將粗產(chǎn)物溶于少量二氯甲烷中，用乙醚沉淀2～3次，棄去上清液，下層沉淀溶于乙酸乙酯后，加入無(wú)水硫酸鈉干燥。抽濾除去不溶物，濾液30℃旋蒸除溶劑，得到的黏稠液體即改性硅油。

實(shí)施例5：

(1)涂膜(即有機(jī)硅材料)的制備：在5mL離心管中加入1.00g實(shí)施例1中制備得到的有機(jī)硅油和2mL乙酸乙酯，于旋渦混勻器上震蕩使其充分溶解。向離心管中加入70μg HDI，超聲混勻。將混合液注入模具中，讓乙酸乙酯揮發(fā)干燥，使其充分成膜，獲得涂層(即有機(jī)硅材料)。

(2)有機(jī)硅材料抗蛋白質(zhì)非特異性吸附性能評(píng)估：將有機(jī)硅材料均勻剪切成邊長(zhǎng)約為5mm的正方形切片，放入0.2mol/L NaOH溶液中水解不同時(shí)間。測(cè)量并記錄各樣品及組織培養(yǎng)聚苯乙烯(TCPS)片的邊長(zhǎng)。將水解后的樣品和TCPS片置于24孔板中，每孔加入HRP-IgG濃度為1μg/mL的PBS緩沖溶液1mL，置于水平搖床振蕩1h。將樣品用PBS緩沖溶液清洗5次，每次1mL，并置于新孔中。配置濃度為1mg/mL鄰苯二胺+1μL/mL 0.03％過(guò)氧化氫的磷酸氫二鈉-檸檬酸緩沖溶液，每孔加入1mL，另取一孔加入相同溶液作為空白對(duì)照組，置于水平搖床上振蕩15min進(jìn)行顯色反應(yīng)。向各孔中加入2mol/L的H₂SO₄溶液1mL終止反應(yīng)。取各溶液200μL加入96孔板，用酶標(biāo)儀檢測(cè)其在492nm處的吸光度(OD值)。有機(jī)硅材料的抗蛋白質(zhì)非特異性吸附如圖3所示。

從圖3中可以看出有機(jī)硅材料水解前的蛋白相對(duì)吸附量約為78.9％。在0.2mol/L NaOH溶液中水解1h后，即可達(dá)到較好的抗蛋白非特異性吸附效果，約降為22.0％。當(dāng)水解3h，可達(dá)最佳抗蛋白吸附效果，約為18.2％。隨著水解時(shí)間繼續(xù)增加，在4.5h之內(nèi)仍可保持較好的抗蛋白吸附能力，而當(dāng)水解時(shí)間達(dá)到6h及以上時(shí)，蛋白相對(duì)吸附量開(kāi)始有所上升，這可能是由于長(zhǎng)時(shí)間的水解破壞了有機(jī)硅材料的兩性離子結(jié)構(gòu)所致?？偟膩?lái)說(shuō)，有機(jī)硅材料水解后具有較為優(yōu)秀的抗蛋白質(zhì)非特異性吸附能力。

(3)有機(jī)硅材料溶脹性能評(píng)估：將應(yīng)用例1中所合成的有機(jī)硅材料切割成適當(dāng)大小的樣品(約5mm×5mm)，在pH＝7.4的PBS緩沖液中浸泡，通過(guò)定期拍照觀察其大小、透明度及其他形態(tài)的變化，對(duì)其進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。根據(jù)樣品在pH＝7.4的PBS緩沖溶液中浸泡不同時(shí)間后的形態(tài)可以看出，樣品在浸泡一個(gè)月、兩個(gè)月、三個(gè)月和六個(gè)月之后與浸泡前(0month)相比，在大小、顏色、透明度、強(qiáng)度方面并無(wú)明顯差異。由此說(shuō)明在浸泡過(guò)程中，并無(wú)太多水分子進(jìn)入樣品內(nèi)部，導(dǎo)致樣品溶脹，合成的含兩性離子前體的有機(jī)硅材料具有良好的抗溶脹性能。

實(shí)施例6：

涂膜(即有機(jī)硅材料)的制備：在5mL離心管中加入1.00g實(shí)施例1中制備得到的有機(jī)硅油和2mL乙酸乙酯，于旋渦混勻器上震蕩使其充分溶解。向離心管中加入120μg MDI，超聲混勻。將混合液注入模具中，放入37℃干燥箱內(nèi)干燥24h，使其充分成膜，所得到的有機(jī)硅材料的硬度有一定提高，并具有良好的抗蛋白質(zhì)非特異性吸附能力和抗溶脹性能。