高分子组织粘接与保护材料的制备以及在智能皮肤材料领域的应用研究

来源 :中国科学技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:shohoku23
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近些年来,随着医学、生物学、化学和材料学等基础科学的发展和进步,生物医用材料在诊断治疗和康复护理等医疗健康领域发挥着越来越重要的作用。医用高分子复合材料可以复合多种不同结构和功能的组分,不仅具有优异的力学性能、生理惰性和生物相容性、体内外稳定性,而且容易合成、修饰和加工制备,被广泛应用在人工器官制备、组织工程和再生医学等领域。皮肤是人体最外层的器官,具有提供保护、调节体温、与外界进行物质交换、保持水分等物质稳定、维持身体代谢平衡、感受外界刺激等功能,因此保持皮肤的完整性尤为重要。但皮肤容易遭受损伤,常见的有烧烫伤和慢性皮肤损伤等,这些皮肤损伤往往恢复时间长,恢复效果不理想,一直是医学界的难题,发挥生物医用材料的性能优势将其应用于皮肤损伤修复和皮肤保护是潜在的有效解决方式。基于此,本论文主要开展了医用高分子复合材料的设计制备及其在智能皮肤材料领域的相关应用研究,设计制备了系列医用高分子组织粘接和保护材料,并对其相关性能进行了表征研究,拓展了生物医用材料在皮肤表面发挥功能性作用、皮肤的损伤修复和皮肤保护等方面的应用,以期推动与皮肤相关问题的解决。具体研究内容如下:(1)受核苷酸碱基之间多重氢键作用的启发,结合组织粘接材料的理念,将碱基分子A(腺嘌呤)和T(胸腺嘧啶)引入到聚合物主链上,构建了一种韧性可拉伸、可以粘附在皮肤表面的水凝胶应变传感材料PAAm-GO-A+T(聚丙烯酰胺-氧化石墨烯-碱基A+T),并对材料的力学性能、粘接性能、动态适应性和应变传感相关性能进行了探究。研究结果表明,材料具有较好的拉伸和压缩性能,拉伸强度达650 KPa,对不同的基底(金属、玻璃、硅橡胶、猪皮)均表现出较好的粘接作用,材料具有良好的动态力学性能,最大可承受剪切应变接近400%,材料粘附在皮肤表面随行为动作发生形变时,可以给出实时的应变响应数据曲线,具有较好的应变响应性和稳定性。PAAm-GO-A+T凝胶有效解决了皮肤表面应变传感材料自粘附性差的问题,可以作为柔性生物传感器应用在医疗监护等领域。(2)针对目前合成类组织粘接材料的不足,结合聚硅氧烷材料的性能特点,制备了一种基于聚硅氧烷的皮肤组织粘接材料,其主要由聚硅氧烷预聚体PDMSn-PBAMSm、交联剂含氢硅油PHMS和Pt催化剂构成,其中聚硅氧烷预聚体的末端基团为乙烯基,侧链上修饰苯甲醛基作为粘接功能基团;预聚体、交联剂和催化剂混合后施加在皮肤组织表面,原位发生硅氢加成反应完成固化,苯甲醛基则与皮肤表面的氨基发生共价反应实现组织粘接。研究结果表明,材料固化后与皮肤组织的力学性质相似,弹性模量相当;材料对猪皮具有很好的粘接效果,最大剪切、拉伸和剥离粘接强度分别为77.6KPa、87.9KPa、0.68N/cm,远高于未修饰粘接基团的对照组粘接强度;流变测试表明材料在室温下100 s内完成由液体混合物到弹性体的转变,原位固化过程迅速;材料的细胞相容性和稳定性也较好。本部分中构建的聚硅氧烷皮肤组织粘接材料克服了一般合成类组织粘接材料模量很高与皮肤等软组织不相容的缺点,能够满足皮肤组织粘接材料的各项性能要求。(3)结合聚硅氧烷(PSI)和聚乙烯醇(PVA)的性能优势,构建了一种复合多功能皮肤屏障材料PSI-PVA,为皮肤提供保护作用。PSI-PVA由亲水改性的聚硅氧烷和聚乙烯醇混合溶液涂覆在皮肤表面经原位离子交联制备而成,制作过程简单,容易操作。研究结果表明,PSI-PVA在干态和湿态(含水量为质量分数5%~15%)下均具有很好的拉伸性和力学强度,适合应用在皮肤表面;PSI-PVA具有较好的亲水性、吸水稳定性和透气性能,当聚乙烯醇质量分数为20%时,溶胀率可达149%,并且溶胀后可以稳定存在,水气透过速率为1072 g/(m2·d);材料与皮肤的亲和性好,施加在皮肤表面容易用水清洗去除,生物相容性较好;同时材料具有可修饰性,通过将紫外吸收基羟基苯甲酮连接到主链结构中,制备的PSI(UV)-PVA薄膜可以屏蔽紫外辐射,能够为皮肤提供防晒保护作用。
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