本發(fā)明屬于生物醫(yī)用材料領(lǐng)域，特別涉及一種磺化羥丙基殼聚糖改性聚砜膜及其制備方法。
背景技術(shù)：
聚砜具有耐磨性、富彈性和高強(qiáng)度等良好力學(xué)性能，并且具有高通量的滲透性能，被廣泛應(yīng)用于制造腎衰竭血液透析膜、體內(nèi)外各種替代器官和介入手術(shù)中的各種導(dǎo)管及醫(yī)用材料。然而，傳統(tǒng)的聚砜生物相容性并不理想，與血液直接接觸時(shí)，存在下述問(wèn)題：膜表面容易被血蛋白污染，并且長(zhǎng)時(shí)間的接觸會(huì)導(dǎo)致血蛋白的吸附，進(jìn)一步引起血小板的吸附和變形，最終導(dǎo)致血栓的形成。本發(fā)明旨在解決聚砜材料在使用時(shí)產(chǎn)生的血栓等問(wèn)題，提供一種生物相容性良好的改性聚砜膜材料及其制備方法。
目前，制備新型聚砜材料以提高其抗凝血性能的常規(guī)技術(shù)多集中于對(duì)現(xiàn)有具有良好物理力學(xué)性能的聚砜膜進(jìn)行表面改性。聚砜膜表面改性主要包括兩類(lèi)方法：(1)表面接枝親水性物質(zhì)，如聚乙二醇、兩性離子及其他一些親水性單體；(2)表面涂層肝素，還有研究表面接枝肝素或者類(lèi)肝素物質(zhì)，即通過(guò)共價(jià)鍵合或者離子鍵合，將肝素或類(lèi)肝素物質(zhì)接枝到聚砜膜材料表面。mayes等人(biomaterials,2006(27):856)將聚乙二醇(peg)共價(jià)接枝到聚砜材料表面，改性后的材料的親水性得到了提高，抗血蛋白的吸附能力也隨之增強(qiáng)，血小板吸附也有所減少。但是此產(chǎn)品只是單一地提高材料的親水性，膜材料的生物相容性并沒(méi)有得到大幅度地提高。zhaochangsheng等人(journalofmembranescience，2013(446):79)將磺基甜菜堿丙烯酸甲酯接枝到聚砜膜材料的表面，改性后的膜材料親水性得到改善，接枝率也較高，蛋白質(zhì)吸附、血小板吸附、凝血酶時(shí)間等各種血液相容性指標(biāo)到得到提高。但是此膜材料只能提高親水性，不能直接阻礙外源凝血途徑和凝血因子的活性。肝素作為最常用的抗凝血物質(zhì)，被用于涂覆在材料表面，以改進(jìn)材料的抗凝血性能。但是肝素是水溶性物質(zhì)，在人體內(nèi)流失速度很快，無(wú)法穩(wěn)定存在材料表面。同時(shí)，肝素較為昂貴，還會(huì)給病人帶來(lái)很多并發(fā)癥，例如高磷血癥、血小板減少癥等等。xiao-junhuang等人(macromolecularbioscience,2011(11):131)將肝素接枝在聚砜膜上，并且制備出了中空纖維膜，改性過(guò)后的中空纖維膜親水性得到一定的改善，凝血酶時(shí)間有所延長(zhǎng)，血小板吸附得到抑制，抗蛋白質(zhì)污染性能也相應(yīng)增強(qiáng)。但是此方法得到的肝素接枝密度并不高，而且肝素較為昂貴，同時(shí)會(huì)給病人造成一些并發(fā)癥。tangm等人(journalofcolloidandinterfacescience,2012(386):428)利用羧酸化的聚醚砜和磺酸化的聚醚砜共混，制備了一種類(lèi)肝素表面的聚醚砜共混材料，這種材料相對(duì)未改性的聚醚砜來(lái)說(shuō)，其生物相容性有所提高。但是這種改性合成方法過(guò)于復(fù)雜，而且這種類(lèi)肝素表面僅僅是模仿了肝素的官能團(tuán)，并沒(méi)有從肝素五碳糖位點(diǎn)以及與凝血酶因子作用原理出發(fā)進(jìn)行研究。當(dāng)前制備單體改性聚砜材料成為研究熱點(diǎn)。專(zhuān)利cn101530753a公開(kāi)了一種peg接枝的聚砜或聚醚砜中空纖維膜及其制備方法與用途。專(zhuān)利cn102038955a公開(kāi)了一種將類(lèi)一種利用傅氏反應(yīng)接枝制備抗凝血聚砜材料的方法。發(fā)明專(zhuān)利cn104829843a公布了一種由檸檬酸和殼聚糖改性的生物相容性聚氨酯及其制備方法，該發(fā)明材料是以聚氨酯為基底的生物相容性材料，通過(guò)接枝枸櫞酸來(lái)達(dá)到抗凝血的目的。
綜上所述，制備新型抗凝血聚砜的方法一般是在制得基底后，再通過(guò)另一方法(表面接枝或共混)使其抗凝血性得到提高。然而，它們具有下述缺點(diǎn)：改性材料價(jià)格昂貴且工藝繁瑣；沒(méi)有從凝血機(jī)理出發(fā)，僅僅研究材料的親水性；使用肝素易造成并發(fā)癥。
本發(fā)明設(shè)計(jì)并合成了一種由磺化羥丙基殼聚糖改性的生物相容性聚砜膜；該生物相容性聚砜膜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為以氯甲基化聚砜膜作為基膜，膜表面接枝磺化羥丙基殼聚糖親水側(cè)鏈。首先以殼聚糖為原料合成磺化羥丙基殼聚糖，再以聚砜為基材合成氨基化聚砜膜；然后利用戊二醛作為橋梁，將磺化羥丙基殼聚糖接枝在氨基化聚砜膜表面，有效地增大了材料的親水性，從與凝血因子相互作用影響內(nèi)、外源性凝血途徑的原理出發(fā)，達(dá)到抗凝血的目的，提高材料的生物相容性。本發(fā)明工藝具有原料低廉、反應(yīng)條件溫和易控等優(yōu)點(diǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種磺化羥丙基殼聚糖改性的生物相容性聚砜膜，其特征是：以氯甲基化聚砜膜作為基膜，膜表面接枝磺化羥丙基殼聚糖親水側(cè)鏈；結(jié)構(gòu)表示為：
結(jié)構(gòu)中的shpcs表示磺化羥丙基殼聚糖結(jié)構(gòu)；氯甲基化聚砜基膜材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)式表示為：
結(jié)構(gòu)式中的n為20～80。
本發(fā)明還提供了一種該磺化羥丙基殼聚糖改性生物相容性聚砜膜的制備方法，其制備方法包括如下步驟：
(1)磺化羥丙基殼聚糖的制備
以殼聚糖(cs)為原料，先用濃度為10mol/l的naoh溶液堿化處理后，與異丙醇(ipa)和環(huán)氧丙烷(po)進(jìn)行醚化反應(yīng)，殼聚糖和異丙醇的質(zhì)量比為1:5～15，環(huán)氧丙烷過(guò)量，在40～50℃下攪拌反應(yīng)3～5h后，倒入去離子水溶解中和，再將大量丙酮倒入反應(yīng)體系沉淀，最后進(jìn)行抽濾、洗滌和干燥，從而得到羥丙基殼聚糖(hpcs)。
將體積比為1:4～6的氯磺酸(csa)和甲酰胺在冰鹽浴下配成磺化試劑，再按羥丙基殼聚糖和氯磺酸的質(zhì)量比為1:3～4加入羥丙基殼聚糖，在65～70℃下攪拌反應(yīng)2～4h，反應(yīng)結(jié)束后，用截留分子為7000da的透析袋透析一天，再用氫氧化鈉溶液脫氨，然后用鹽酸將ph調(diào)至3～5，繼續(xù)透析兩天，干燥，得到磺化羥丙基殼聚糖(shpcs)。
(2)氯甲基化聚砜膜的制備
以氯仿為溶劑，聚砜(psf)、三甲基氯硅烷(tmcs)和多聚甲醛(pfa)為反應(yīng)物，sncl4為催化劑，聚砜結(jié)構(gòu)單元、三甲基氯硅烷、多聚甲醛和sncl4的摩爾比為10:100:100:1，在45～60℃下反應(yīng)72h，反應(yīng)結(jié)束后，將大量甲醇倒入反應(yīng)體系沉淀，再進(jìn)行真空抽濾和干燥，得到氯甲基化聚砜(psf-cl)。
然后用psf-cl砜作膜材、n,n-二甲基乙酰胺作溶劑、水作為凝固劑采用相轉(zhuǎn)化法制備氯甲基化聚砜膜。具體如下：將psf-cl溶解在n,n-二甲基乙酰胺中，配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14～22％的鑄膜液，攪拌溶解12～24h，靜置脫泡，采用自動(dòng)刮刀快速均勻刮出厚度為0.1～1mm的膜液，將其放入水中，經(jīng)相轉(zhuǎn)化得psf-cl膜。(3)氨基氯甲基化聚砜膜的氨基化
將psf-cl膜浸沒(méi)在過(guò)量的乙二胺(eda)中，在22～28℃下反應(yīng)18～22min，得到氨基化聚砜膜(psf-nh2)。
(4)氨基化聚砜膜的醛基化
以水作為為溶劑，依次加入戊二醛(ga)、冰乙酸(hac)和psf-nh2膜(其中戊二醛和psf-nh2膜的質(zhì)量比為50～100:1，溶劑占反應(yīng)體系總質(zhì)量的70～90％)，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下混合攪拌，在5～30℃下反應(yīng)1～24h，得到醛基化聚砜膜。(5)磺化羥丙基殼聚糖接枝改性聚砜膜
將shpcs加入到水中，shpcs質(zhì)量與溶劑水的質(zhì)量比為0.04～0.2:1，在攪拌下溶解。將醛基化聚砜膜放入shpcs溶液中，其中醛基化聚砜膜與shpcs質(zhì)量比為0.01～0.1:1。在5～30℃下反應(yīng)1～24h。待反應(yīng)結(jié)束，用水洗滌，得到磺化羥丙基殼聚糖改性聚砜膜(psf-shpcs膜)。
制備過(guò)程發(fā)生的反應(yīng)為：
cs+ipa+po→hpcs(1)；
hpcs+csa→shpcs(2)；
psf+tmcs+pfa+eda→psf-nh2(3)；
psf-nh2+ga+shpcs+hac→psf-shpcs(4)；
其中，hpcs結(jié)構(gòu)式為
shpcs的結(jié)構(gòu)式為
或
n＝300～500
psf-nh2的結(jié)構(gòu)式為
psf-shpcs的結(jié)構(gòu)式為
結(jié)構(gòu)中的shpcs表示磺化羥丙基殼聚糖結(jié)構(gòu)；氯甲基化聚砜基膜的化學(xué)結(jié)構(gòu)式表示為：
結(jié)構(gòu)式中的n為20～80。
本發(fā)明采用五步合成，將shpcs接枝到psf-cl基膜上，通過(guò)改變膜表面的親水性和抗凝血性，提高了其生物相容性。與未改性的psf相比，改性psf的親水性和抗凝血性能得到了很大提高，接觸角從84°降低到了17°，bsa的吸附量由407μg/cm2降低到了59μg/cm2，aptt(活化部分凝血活酶時(shí)間)由32s延長(zhǎng)到了35.3s。血小板的聚集程度大幅度減少，完全沒(méi)有形成血栓，變形的量也相應(yīng)減少。磺化羥丙基殼聚糖作為一種類(lèi)肝素，引入到psf-cl膜表面，并與血液凝血因子發(fā)生相互作用，使得各凝血時(shí)間指標(biāo)都有所延長(zhǎng)，從而改善材料的抗凝血性能。
本發(fā)明具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：
1.從本體改性和表面接枝兩方面對(duì)psf進(jìn)行改性，首先將較高氯甲基密度的psf材料制備出來(lái)，用相轉(zhuǎn)化法制成基膜，然后在基膜表面的氯甲基上引入氨基，最后利用戊二醛作為橋梁，通過(guò)席夫堿反應(yīng)，將制備好的shpcs接枝在氨基化聚砜膜表面，制備出磺化羥丙基殼聚糖改性生物相容性聚砜膜。從與凝血因子相互作用影響內(nèi)、外源性凝血途徑的原理出發(fā)，達(dá)到抗凝血的目的，提高材料的生物相容性。
2.本發(fā)明工藝原料低廉、反應(yīng)條件溫和易控，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的類(lèi)肝素物質(zhì)在聚砜材質(zhì)膜表面的接枝，得到磺化羥丙基殼聚糖改性聚砜膜。
3.本發(fā)明使用共價(jià)接枝磺化羥丙基殼聚糖結(jié)構(gòu)，提高了材料的穩(wěn)定性，并且構(gòu)成微相分離結(jié)構(gòu)，從而具有自然生物膜結(jié)構(gòu)特性。
附圖說(shuō)明
圖1生物相容性改性聚砜膜制備流程圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述：
實(shí)施例1
以15gcs為原料，先用濃度為10mol/l的naoh溶液堿化處理后，與150mlipa和150mlpo一起加入反應(yīng)器中，在45℃下攪拌反應(yīng)4h后，倒入去離子水溶解中和，再經(jīng)丙酮沉淀、抽濾、洗滌和干燥，得到hpcs。將2mlcsa和20ml甲酰胺在冰鹽浴下配成磺化試劑，再加入2ghpcs，在68℃下攪拌反應(yīng)3h，經(jīng)透析、脫氨、再透析和濃縮干燥處理，得到shpcs。
將250ml氯仿加入燒瓶，加入10gpsf并溶解，加入28.5mltmcs、6.7gpfa和0.26mlsncl4，在45℃下氮?dú)獗Ｗo(hù)攪拌反應(yīng)72h，經(jīng)甲醇沉淀、真空抽濾和干燥，得到psf-cl。然后將psf-cl以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18％的比例溶解在n,n-二甲基乙酰胺中，配置成鑄膜液，先振蕩溶解，后靜置脫泡，采用自動(dòng)刮刀快速均勻刮出膜液，將其放入水中，經(jīng)相轉(zhuǎn)發(fā)得到psf-cl膜。將psf-cl砜膜浸沒(méi)在200ml的eda中，在25℃下反應(yīng)20min，得到psf-nh2膜。
將26ml的水加入燒瓶中，依次加入4ml含量5％的ga水溶液、hac和28cm2psf-nh2膜，在氮?dú)獗Ｗo(hù)25℃下輕微攪拌反應(yīng)18h，得到醛基化聚砜膜。將1gshpcs加入到水中，在攪拌下溶解。然后將28cm2洗滌后的醛基化聚砜膜立即加入磺化羥丙基殼聚糖溶液中，在25℃下攪拌反應(yīng)11h，經(jīng)水洗滌得到psf-shpcs膜。
實(shí)施例2
以15gcs為原料，先用濃度為10mol/l的naoh溶液堿化處理后，與150mlipa和150mlpo一起加入反應(yīng)器中，在45℃下攪拌反應(yīng)4h后，倒入去離子水溶解中和，再經(jīng)丙酮沉淀、抽濾、洗滌和干燥，得到hpcs。將4mlcsa和20ml甲酰胺在冰鹽浴下配成磺化試劑，再加入2ghpcs，在68℃下攪拌反應(yīng)3h，經(jīng)透析、脫氨、再透析和濃縮干燥處理，得到shpcs。
將250ml氯仿加入燒瓶，加入10gpsf并溶解，加入28.5mltmcs、6.7gpfa和0.26mlsncl4，在45℃下氮?dú)獗Ｗo(hù)攪拌反應(yīng)72h，經(jīng)甲醇沉淀、真空抽濾和干燥，得到psf-cl。然后將psf-cl以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18％的比例溶解在n,n-二甲基乙酰胺中，配置成鑄膜液，先振蕩溶解，后靜置脫泡，采用自動(dòng)刮刀快速均勻刮出膜液，將其放入水中，經(jīng)相轉(zhuǎn)發(fā)得到psf-cl膜。將psf-cl砜膜浸沒(méi)在200ml的eda中，在25℃下反應(yīng)20min，得到psf-nh2膜。
將26ml的水加入燒瓶中，依次加入4ml含量5％的ga水溶液、hac和28cm2psf-nh2膜，在氮?dú)獗Ｗo(hù)25℃下輕微攪拌反應(yīng)18h，得到醛基化聚砜膜。將1gshpcs加入到水中，在攪拌下溶解。然后將28cm2洗滌后的醛基化聚砜膜立即加入磺化羥丙基殼聚糖溶液中，在25℃下攪拌反應(yīng)11h。經(jīng)水洗滌，得到psf-shpcs膜。
實(shí)施例3
以15gcs為原料，先用濃度為10mol/l的naoh溶液堿化處理后，與150mlipa和150mlpo一起加入反應(yīng)器中，在45℃下攪拌反應(yīng)4h后，倒入去離子水溶解中和，再經(jīng)丙酮沉淀、抽濾、洗滌和干燥，得到hpcs。將4mlcsa和20ml甲酰胺在冰鹽浴下配成磺化試劑，再加入2ghpcs，在68℃下攪拌反應(yīng)3h，經(jīng)透析、脫氨、再透析和濃縮干燥處理，得到shpcs。
將250ml氯仿加入燒瓶，加入10gpsf并溶解，加入28.5mltmcs、6.7gpfa和0.26mlsncl4，在60℃下氮?dú)獗Ｗo(hù)攪拌反應(yīng)72h，經(jīng)甲醇沉淀、真空抽濾和干燥，得到psf-cl。然后將psf-cl以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18％的比例溶解在n,n-二甲基乙酰胺中，配置成鑄膜液，先振蕩溶解，后靜置脫泡，采用自動(dòng)刮刀快速均勻刮出膜液，將其放入水中，經(jīng)相轉(zhuǎn)發(fā)得到psf-cl膜。將psf-cl砜膜浸沒(méi)在200ml的eda中，在25℃下反應(yīng)20min，得到psf-nh2膜。
將26ml的水加入燒瓶中，依次加入4ml含量5％的ga水溶液、hac和28cm2psf-nh2膜，在氮?dú)獗Ｗo(hù)25℃下輕微攪拌反應(yīng)18h，得到醛基化聚砜膜。將1gshpcs加入到水中，在攪拌下溶解。然后將28cm2洗滌后的醛基化聚砜膜立即加入磺化羥丙基殼聚糖溶液中，在25℃下攪拌反應(yīng)11h。經(jīng)水洗滌，得到psf-shpcs膜。
實(shí)施例4
以15gcs為原料，先用濃度為10mol/l的naoh溶液堿化處理后，與150mlipa和150mlpo一起加入反應(yīng)器中，在45℃下攪拌反應(yīng)4h后，倒入去離子水溶解中和，再經(jīng)丙酮沉淀、抽濾、洗滌和干燥，得到hpcs。將4mlcsa和20ml甲酰胺在冰鹽浴下配成磺化試劑，再加入2ghpcs，在68℃下攪拌反應(yīng)3h，經(jīng)透析、脫氨、再透析和濃縮干燥處理，得到shpcs。
將250ml氯仿加入燒瓶，加入10gpsf并溶解，加入28.5mltmcs、6.7gpfa和0.26mlsncl4，在60℃下氮?dú)獗Ｗo(hù)攪拌反應(yīng)72h，經(jīng)甲醇沉淀、真空抽濾和干燥，得到psf-cl。然后將psf-cl以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18％的比例溶解在n,n-二甲基乙酰胺中，配置成鑄膜液，先振蕩溶解，后靜置脫泡，采用自動(dòng)刮刀快速均勻刮出膜液，將其放入水中，經(jīng)相轉(zhuǎn)發(fā)得到psf-cl膜。將psf-cl砜膜浸沒(méi)在200ml的eda中，在25℃下反應(yīng)20min，得到psf-nh2膜。
將26ml的水加入燒瓶中，依次加入4ml含量5％的ga水溶液、hac和28cm2psf-nh2膜，在氮?dú)獗Ｗo(hù)25℃下輕微攪拌反應(yīng)18h，得到醛基化聚砜膜。將1gshpcs加入到水中，在攪拌下溶解。然后將28cm2洗滌后的醛基化聚砜膜立即加入磺化羥丙基殼聚糖溶液中，在25℃下攪拌反應(yīng)18h。經(jīng)水洗滌，得到psf-shpcs膜。
本發(fā)明生物相容性改性聚砜膜材料的性能如表1所示。
表1生物相容性改性聚砜膜材料的性能