LOGO PLLA 膜基质表面 (PEI/BSA) n 层 层静电组装行为及性能研究 Fabrication and Characterization of Layer- by-Layer Electrostatic Self-Assembly of (PEI/BSA) n on the PLLA Substrates.

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1 LOGO PLLA 膜基质表面 (PEI/BSA) n 层 层静电组装行为及性能研究 Fabrication and Characterization of Layer- by-Layer Electrostatic Self-Assembly of (PEI/BSA) n on the PLLA Substrates 肖琳琳 指导老师：全大萍

2 Company Logo PLLA 膜基质表面 (PEI/BSA) n 层层静电组装行为及性能研究 引 言 1 实 验 2 结 论 3 致 谢 4

3 Company Logo 1. 引 言 生生物医学工程（ Biomedical Engineering ， BME ）是一门 集生物学﹑医学和工程学于一体的边缘交叉学科，生物 医学工程的发展不仅加速了生物学和医学的现代化，也 促使了材料科学的新进展。 生生物材料（ Biomaterial ），又称为生物医用材料 （ Biomedical Material ）。美国国家卫生研究所 （ National Institute of Health Consensus Development Conference ）将其定义为 “ 能作为一个系统的整体或部分 使用一段时间，达到治疗、增加或替换身体的一些组织、 器官并恢复功能目的的任何物质或物质的组合，它可以 是天然的或是人工合成的 ” 。

4 Company Logo 1. 引 言 血液相容性（ Blood- Compatibility ）是指 材料与血液接触后 ，不引起血浆蛋白 的变性，不破坏血 液的有效成分，不 导致血液的凝固和 血栓的形成。 良好的生物相容性是任何生物材料 都必须遵守的最高准则。 组织相容性（ Tissue- Compatibility ） 是指材料与活体组织 及体液接触后，不引 起细胞﹑组织的功能下 降，组织不发生炎症、 癌变以及排异反应等。

5 Company Logo 1. 引 言 天然高分子生物材料 金属和合金 陶 瓷陶 瓷 生物高分子材料 天然无机生物材料 生物材料 优点 分子结构更接 近于生物体 良好的物理 机械性能 优异的生 物相容性

6 Company Logo 聚乳酸（ PLA ） 真正的生物塑料， 无毒，具有良好的 生物相容性，可生 物分解吸收，已被 美国食品医药局（ FDA ）批准使用， 是目前最有前途的 合成高分子生物材 料之一。 表面改性 低细胞亲和性成为 制约 PLLA 作为理想 组织工程支架材料 的主要障碍之一。 材料与生物体的相 互作用主要集中在 界面，必须对其进 行表面改性。 左旋聚乳酸 （ PLLA ） 结构规则，其降解 产物乳酸在自然状 态下主要存在于体 内各器官中，较易 由合成得到。 1. 引 言

7 Company Logo 1. 引 言 材料表面的亲疏水性 材料表面的化学结构 …… 材料表面的拓扑结构 材料表面的活性因子 材料表面的电荷状况 影响高分子 材料相容性 的表面性质

8 Company Logo 1. 引 言 高分子生物材料表面改性方法高分子生物材料表面改性方法 等离子改性 接枝改性 生物活性分 子的固定 聚合物表面 基团的改变 自组装单 分子层 层层自组装

9 Company Logo 1. 引 言 层层层自组装技术（ Layer-by-Layer Self-Assemble Technique ， L-b-L ） 基于聚电解质阴阳离子之间电荷相互作用的一种超分子组装技术，该技术 的驱动力不局限于静电相互作用，也可以是氢键、电荷转移和疏水作用力 等，多种作用的协同效应能够大大提高膜的稳定性。 1 2 3 4 制备条件温和， 可在常温水溶 液中进行，能 保持生物分子 生物活性的天 然构象。 工艺简单，通 过简单的交替 浸涂即可实现 材料表面纳米、 亚微米尺度的 有规膜层。 适用范围广，组 装原料可以是蛋 白质、 DNA 等带 电荷的天然生物 分子，也可以是 合成的聚电解 质 。 适用基体材料 多，对基体材 料体型结构适 应力强 。 优点优点

10 Company Logo 1. 引 言 Figure 1 层－层静电自组装过程示意图

11 Company Logo 1. 引 言 ¤ 一，利用 PEI 对 PLLA 表面进行大分子胺解活化，引 入电荷，实现层层静电自组装过程； ¤ 二，由 PEI 引入氨阳离子，能够有效地增加表层的 亲水性，提高与蛋白质肽链官能团的相互作用。 从多角度来促进细胞的生长与增殖； ¤ 三，利用 BSA 可以形成生物惰性表面的性质，抑制 凝血，增强材料的血液相容性。  本文目的 ：以 BSA 为模型蛋白，研究阳离子聚合物 PEI 与 BSA 在 PLLA 基质膜表面组装的过程（组装过程如 Figure 2 所示） ，实现对 PLLA 的表面改性。同时，为进一步实现在材料表面组装质粒 DNA ， 实现原位基因控制释放并转染细胞提供科学依据。 Figure 2 PLLA 表面静电自组装 （ PEI/BSA ） n 示意图

12 Company Logo 1. 引 言  意义及创新点： 1. 聚乳酸是目前最有潜力的生物高分子材料之一，对 其进行表面改性，扩大其适用性意义重大。在 PLLA 膜 基质表面层层静电自组装（ PEI/BSA ） n 还未见报导，因 而本文具有很强的实际意义。 2. 通过简单的电解质相互作用在材料表面构建负载模型 蛋白的多层体系，为进一步构建原位基因缓释体系提供 科学依据，在学术思路上具有很强的创新性 。

13 Company Logo 盐酸、乙 醇预处理 2. 实 验 2.1.1 PLLA 基体膜的制备 8mg/mL PLLA 的 CH 2 Cl 2 溶液 浇注静置 24h 成膜 PLLA 基 体膜成形

14 Company Logo 胺解活化后 的 PLLA 表面 2. 实 验 2.1.2 PEI 胺解 PLLA 基体表面 50 ％乙醇水 溶液（ 15min ） 超纯水漂洗 N 2 流干燥 1mg/mLPEI 水 溶液（ 20min ） 超纯水漂洗 N 2 流干燥

15 Company Logo 2. 实 验 2.1.3 层层静电自组装制备（ PEI/BSA ） n 复合膜 超纯水漂洗 N 2 流干燥超纯水漂洗 N 2 流干燥 1mg/mLPEI 水 溶液（ 20min ） 1mg/mLBSA 水 溶液（ 20min ） 循环此过程

16 Company Logo 2. 实 验 2.2 组装膜性能测试 （ PEI/BSA ） n 组装膜与（ CS/BSA ） n 组装膜的稳定性比较 紫外（ UV ）研究组装膜在类体 内环境中的溶解扩散过程 紫外（ UV ）分析组装过程 中 BSA 增长情况 表面接触角（ Contact Angle ） X 射线光电子能谱（ XPS ）

17 Company Logo 2. 实 验 2.2.1 X 射线光电子能谱（ XPS ） Figure 3 XPS spectra of different PLLA substrates: unmodified (a), modified by PEI (b), modified by PEI/BSA (c).

18 Company Logo 2. 实 验 Table 1 Element content of different samples At. %Sample (PEI/BSA) 0 (PEI/BSA) 0.5 (PEI/BSA) 1 C1s58.7960.7563.50 O1s41.2138.0827.13 N1s—1.178.98 S2p——0.39 由 Figure 3 可见，样品 (PEI/BSA) 0 仅出现 C1s 和 O1s 的能谱峰，样品 (PEI/BSA) 0.5 则出现 N1s 的能谱峰，证实 PLLA 表面胺解发生。 2.2.1 X 射线光电子能谱（ XPS ） 样品 (PEI/BSA) 1 中 N1s 能谱峰增 强，并出现 S2p 的峰，说明胺 解后带正电荷的 PLLA 表面成 功组装吸附 BSA 。

19 Company Logo 2. 实 验 (a) (b) Figure 4 XPS carbon signals of PLLA: unmodified PLLA substrate(a) and PEI-activated PLLA substrate(b). 2.2.1 X 射线光电子能谱（ XPS ） 纯 PLLA 膜表面 C1s 可分解为三个谱峰， PLLA 经 PEI 胺解活化后，新出现 C C- N 以及 C -CONH- 谱峰。

20 Company Logo 2. 实 验 Table 2 Surface Composition of Different Substrates XPS data (atom%)Sample PLLAPEI/PLLA C C=O 36.1328.41 C C-O 31.55 26.75 （ including C C-N ） C C-H 32.3243.06 C -CONH- —1.77 2.2.1 X 射线光电子能谱（ XPS ） Table 2 显示：胺解活化后，表征 C C=O 和 C C-O 的谱峰相对含量减少， C C-H 相对含量明显增大。 XPS 结果证实 PEI 胺解 PLLA 后，表面主要由带正电荷的 PEI 组成， 为进一步组装吸附带相反电荷的 BSA 奠定基础。

21 Company Logo 2. 实 验 Figure 5 Changes of Contact angle with alternate deposition of PEI/BSA by the sessile drop method: 0, PLLA virgin substrate; 1, PEI-activated PLLA substrate; 2-6, BSA and PEI alternate layers. 胺解后 PLLA 膜基质表面 接触角明显下降，组装过 程中表面接触角变化并不 明显。 2.2.2 表面接触角（ Contact Angle ） 另外，接触角随层数的交 替变化，这证实了静电自 组装的 “ 层层交替增长 ” 过 程。

22 Company Logo 2. 实 验 Figure 6 The relationship between UV absorbency （ 278nm ） and the number of assembly bilayers for (PEI/BSA) n films. 随着组装层数的增加， PLLA 表 面 BSA 含量逐渐增大。 2.2.3 组装过程 BSA 增长情况 前三个双层 BSA 的平均吸附量 要大于三个双层之后 BSA 的平 均吸附量。这是由于不光滑的 表面以及分布不均的电荷更有 利于 BSA 的吸附。

23 Company Logo 2. 实 验 Figure 7 The remaining BSA percent of （ PEI/BSA ） 5 film versus time in PBS(pH=7.4) solution at 36.7 ℃ 随时间的延长，膜表面 BSA 浓度通过溶解扩散逐 渐下降，但速率逐渐变小， 在大约 150h 左右释放完全， 由此说明该组装膜对 BSA 具有一定的缓释功能。 2.2.4 自组装膜的溶解扩散过程

24 Company Logo 2. 实 验 Figure 8 The remaining BSA percent on (PEI/BSA) 5 and (CS/BSA) 5 films versus elution time in 1% SDS aqueous solution (remaining BSA ％ =100 ％ ×( 稳定后 BSA 吸收强度 - 洗脱时刻 BSA 吸收强度 )/ 稳定后 BSA 吸收强度 ). 两种组装膜的洗脱速率都是由 大变小，这是因为表层的 BSA 易于内层被洗脱。 2.2.5 （ PEI/BSA ） n 组装膜与（ CS/BSA ） n 组装膜的稳定性比较 (CS/BSA) n 的洗脱速率始终要大 于 (PEI/BSA) n ， (PEI/BSA) n 膜的 稳定性要高于 (CS/BSA) n 膜，这 是因为 CS 在水中的溶解性较差， 影响它的电性表达，从而组装膜 的稳定性下降。

25 Company Logo 3. 结 论 1 PLLA 膜基质表面 通过 PEI 的大分子 胺解活化后，能够 带上电荷，进而实 现静电自组装 2 静电自组装过程呈 现 “ 层层交替增长 ” 3 组装过程中， BSA 总的吸附量随组装 层数而增加，粗糙 的表面、不均匀的 电荷分布有利于 BSA 的静电吸附 4 组装后 PLLA 表面 亲水性大大增加， 有利于细胞的生长 与增殖 5 (PEI/BSA) n 组装膜 具有一定的缓释功 能 6 PLLA 表面 (PEI/BSA) n 组装膜 的稳定性要大于 (CS/BSA) n 组装膜

26 Company Logo 4. 致 谢 衷心感谢化学与化学工程学院第七届（ 2006 学年）创新化学实验与研究 基金项目的支持！ 本篇论文从实验阶段到撰写过程，都得到了全大萍老师的悉心指导和大 力支持，老师的谆谆教诲与严格要求，使我在四年学业的基础上得到很好的 锻炼与提高，在此表示最深切的谢意。 同时，感谢上官习鹏师兄、何留民师兄、闫晓莉师姐、杨习锋师兄、杨 伟红师兄、王暾师姐以及曾晨光师兄在实验和测试阶段给予的大力帮助。 最后，诚挚地感激我的爸爸妈妈，没有他们二十几年含辛茹苦的养育， 就不会有今天的我！

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