协同天然大分子自组装与金属配位作用构筑纳米复合水凝胶及其性能研究

作     者：李晓侠 

作者单位：安徽中医药大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘欢欢

授予年度：2023年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081704[工学-应用化学] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0703[理学-化学] 

主      题：酪蛋白 纳米复合水凝胶 生物柔性传感器 药物递送 

摘      要：水凝胶是一种高含水量、高生物相容性的聚合物,在组织工程、药物递送和伤口修复等方面有广泛的应用。但是,传统水凝胶机械性能差、组织粘附性低、环境适应性弱、功能单一,这些缺点严重限制了其在生物医药领域中广泛应用。因此,开发出一种高强、高粘、高环境适应性的新型水凝胶具有重要的意义。目的:协同天然生物大分子酪蛋白的自组装作用和金属银-硫配位作用构建新型纳米复合交联剂,以丙烯酰胺为聚合物单体,构建高性能纳米复合水凝胶,并探究其在生物医学领域中的应用前景。方法:（1）基于酪蛋白的结构特征,将酪蛋白进行组装获得大小均一的胶束,集合金属-非金属配位作用制备一种新型纳米复合交联剂,通过TEM、EDS、DLS、RS等手段探究该交联剂的形貌和结构;加入单体、引发剂,在紫外光的作用下构建三维聚丙烯酰胺水凝胶网络,通过SEM、EDS、FTIR等技术评价该凝胶的网络孔径大小、分布和结构。（2）以拉伸强度、粘附强度为凝胶力学性能、粘附性能的考察指标,探究交联剂组成（酪蛋白、硝酸银）对水凝胶性能的影响,并选择最佳用量;以自修复效率、断裂韧性、溶胀比等为考察指标,评价水凝胶的自修复性能、缺口不敏感性及溶胀能力。（3）选用二元溶剂乙二醇/水作为凝胶分散剂构建抗冻水凝胶,通过拉伸强度、粘附强度考察乙二醇含量对水凝胶性能的影响;以拉伸强度、粘附强度、相对电阻变化等为考察指标,评价温度对水凝胶的机械韧性、导电性、传感精度的影响。（4）通过体外细胞实验、体外透皮实验对水凝胶的细胞相容性及透皮释药性能进行生物学评价。结果:（1）在本研究中,酪蛋白在p H=11～12的水溶液中可发生组装,形成表面带负电荷的球形胶束,Ag可以通过静电相互作用结合在酪蛋白球形胶束的表面,BACA可以通过Ag-S金属配位作用进一步结合在Casein@Ag复合球形胶束表面,形成Casein@Ag@BACA纳米复合交联剂,加入单体、光引发剂,在紫外光的作用下可以获得具有均匀尺寸和网络结构的纳米复合水凝胶。（2）当酪蛋白的质量分数为15 wt%,硝酸银的加入量为0.05 mg时,制备的CAP水凝胶展现出最强的拉伸性能（断裂应力:3.7 MPa,断裂应变:1600%）和粘附强度（与猪皮之间的粘附强度为28 KPa）;金属配位键和大量氢键的存在赋予CAP水凝胶自修复性能,在微波和p H的刺激下,其自修复效率可分别达到55%和36%;（3）在CAP水凝胶的基础上引入乙二醇形成抗冻水凝胶,当乙二醇/水的体积比为1:6时,CAEP水凝胶具有一定的强度、粘度、和抗冻保水能力,并且其导电和传感性能不受温度的影响,CAEP水凝胶在0-1000%范围内具有良好的传感性,可用于各种人体运动行为的监测。（4）体外细胞毒性实验结果表明通过这种策略设计的水凝胶具有良好的细胞相容性;体外透皮实验结果表明这种水凝胶作为一种经皮给药载体具有稳定且持续的药物释放效果。结论:在本研究中,我们基于酪蛋白自组装、静电相互作用和动态可逆的银-硫金属配位键,成功构建了一种新型纳米复合交联剂,通过该种交联剂制得的纳米复合水凝胶具有优良的力学性能、粘附性能、和自修复性能。在生物柔性传感器方面,引入乙二醇后,该纳米复合水凝胶具有优异的温度耐受性,在-20℃-60℃的范围内具有优异的传感性能和人体行为监测能力。在药物递送方面,该水凝胶还表现出优良的细胞相容性,能够作为一种经皮给药制剂实现秋水仙碱的缓慢透皮释放。