酶交联明胶基生物粘合剂的制备及性能研究

作     者：陈志伟 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：祝德义

授予年度：2024年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：明胶基粘合剂 谷氨酰胺转氨酶(mTG) 粘合强度 生物相容性 自愈合 

摘      要：明胶基生物粘合剂在医疗领域展现出巨大的应用潜力,然而明胶基粘合剂具有粘合强度低,机械强度弱和化学交联引起细胞毒性等缺陷,限制了其在医疗领域的实际使用。本研究采用两种制备策略,通过谷氨酰胺转氨酶(mTG)的催化作用,制备出两种明胶基生物粘合剂,旨在不牺牲生物相容性的情况下提升其粘合强度和机械性能。 以明胶为起始原料,mTG为催化剂,将?-聚赖氨酸(PL)接枝到明胶肽链以增加明胶分子中可供反应的游离氨基,然后通过原儿茶醛(DHBA)与游离氨基的希夫碱反应,制备出明胶/聚赖氨酸/原儿茶醛粘合剂(Gel-PL-DHBA)。在线红外(Online-FTIR)、傅立叶红外光谱(FT-IR)和紫外-可见光谱(UV-Vis)分析发现PL和DHBA成功接枝到明胶分子中。SEM图像显示粘合剂表现出水凝胶的典型的三维网络结构。Gel-PL-DHBA(10%)条件下获得了较优的粘附性能:干粘附的粘合强度达到最大值136.12±23.35 KPa,约为Gel-PL(45.01±11.67 KPa)的3倍,湿粘附的粘合强度达到最大值55.14±6.51 KPa,约为Gel-PL(4.98±1.67 KPa)的10倍。体外降解实验表明Gel-PL-DHBA在8天内,胶原酶降解率达到80%以上,表现出良好的生物降解性和一定的结构稳定性。MTT测试结果表明,L929细胞24h和48 h的细胞相对活度在60%左右,这表明Gel-PL-DHBA存在一定的细胞毒性。这主要是因为DHBA与氨基的席夫碱结构的不稳定性,少量DHBA的析出造成的。 通过mTG和EDC/NHS交联作用将ZQG和PL-CPTA接枝到明胶链上制备了Gel-Z-C粘合剂。XPS、圆二色光谱、XRD等测试结果表明ZQG和CPTA被成功引入明胶基粘合剂体系中。样品的光学微流变、SEM、热稳定性、溶胀性能等测试表明本实验制备出稳定的Gel-Z-C水凝胶粘合剂,体系中存在共价交联、cation-π和π-π相互作用。粘附性能测试验证了本实验的分子设计策略,表现出极强的粘附性能,其中对于Gel-Z-C(0.5)最大干粘附的粘合强度达到了298.78±36.24 KPa约为Gel-ZQG的6倍;最大湿粘附的粘合强度达到了150.69±9.34 KPa,这主要归功于粘合剂与基材表面的cation-π-anionic和anionic-π-cation相互作用及cation-π和π-π相互作用。压缩应力-应变曲线表明Gel-Z-C具备出色的机械强度,其中Gel-ZC(0.5)样品的应变在85%时抗压强度为100 KPa。Gel-Z-C(0.5)还表现出极好的自愈合性能,激光共聚焦显微镜观察发现,水凝胶在70 min内便可完全愈合,且重新愈合后的水凝胶仍然表现出极好的机械强度。生物相容性和体外降解实验结果表明Gel-Z-C粘合剂无细胞毒性且可生物降解。明亮发光杆菌测试发现,GelZ-C有一定程度的抗菌作用。这些性能使Gel-Z-C具备了医药应用的潜力。