一种改性高分子膜材料及其制备方法与流程

1.本发明涉及生物医用高分子材料领域，尤其涉及一种改性高分子膜材料及其制备方法。


背景技术：

2.高分子材料因其良好的机械性能、耐磨性和加工性能被广泛应用于与体液或血液接触的材料。聚氨酯作为其中一种重要的医用材料，在人工心脏、人工血管方面应用十分广泛。聚氨酯生物材料目前可用于介入类手术的导管、输尿管导管、伤口敷料、人工心脏、人工心脏瓣膜、静脉输液港等医疗器械。
3.医用聚氨酯材料可以根据化学组成分为聚酯型聚氨酯、聚醚型聚氨酯以及聚碳酸酯型聚氨酯等。聚酯型聚氨酯是以聚酯多元醇为基础合成的聚氨酯材料，但酯键同样容易受到水的影响发生降解反应，从而限制了其在长期植入材料方面的应用；聚醚型聚氨酯是以聚醚多元醇为基础合成的聚氨酯材料，由于其聚醚链易发生分解，这限制了其在植入材料方面的应用；此外，由于聚醚链的柔顺性，使聚醚型聚氨酯材料对水和水蒸气的透过率高，当作为医疗设备材料应用时，这对设备的金属部件有很大的威胁；聚碳酸酯型聚氨酯(pcu)相对其他聚氨酯材料具有更好的生物相容性，同时，其化学结构决定了其在生物体内更加稳定，可以满足长期植入型应用对材料提出的要求。
4.虽然聚氨酯材料具有良好的生物相容性，但当其与血液直接接触时，仍会发生凝血和溶血现象，从而引起血栓。为解决这一问题，研究者通过表面改性的方法对材料进行抗凝的研究。其中，肝素和磷酰胆碱（pc）是研究的热点。肝素可以抑制凝血活酶的活力，从而抑制凝血酶原变成凝血酶，使之不能发挥促进纤维蛋白原变成纤维蛋白的作用，组织血小板的聚集，从而具备抗凝血性能。磷酰胆碱是组成细胞膜的基本单元的亲水端基，在外层细胞膜中占重要地位，直接影响生物体细胞与外界发生作用。磷酰胆碱基团含有季铵基团和磷酰基团，同时带有正负两种电荷，是两性离子结构，具有很强的结合水能力。通过模仿细胞外磷脂双层膜的构造，富含磷酰胆碱基团的材料在生物体内将其修饰成天然成分，使其具有优良的生物相容性，表面不易吸附血小板，提高材料抗凝血性能。
5.专利cn104629058a公开了一种肝素化聚氨酯膜制备方法，以带羧基的聚氨酯膜为基底，通过1
‑
乙基
‑3‑
（二甲基丙胺）碳二亚胺（wsc）对聚氨酯表面羧基活化，然后接枝肝素，制备肝素化的聚氨酯膜。然而聚氨酯膜表面的羧基量有限，活性基团较少，导致肝素的接枝效率很低。
6.专利cn101967235a公开了一种磷酰胆碱改性聚氨酯生物材料及其制备方法，其中采用等离子体表面改性的方法，在材料表面引入功能性分子或基团，降低接触角，提高抗凝血性能。但是经过等离子体处理的膜表面接枝并不牢靠，不能满足表面改性的时长要求。
7.专利cn112316218a公开了一种两性离子聚合物与肝素复合涂层和制备方法及应用，其中采用多巴胺溶液形成介导层，随后通过浸入两性离子聚合物溶液形成酰胺键接枝肝素。但是这种方法形成的膜表面氨基或羧基含量有限，导致肝素接枝效率较低；同时这种
多巴胺粘附的方法可能会影响膜的力学性能。


技术实现要素：

8.本发明所要解决的技术问题之一在于，提供一种表面复合接枝磷酰胆碱和肝素抗凝涂层的改性高分子膜材料，通过在高分子膜材料的表面化学接枝磷酰胆碱，引入磷酰胆碱两性离子和n
‑
(3
‑
氨基丙基)甲基丙烯酰胺，在具有抗凝效果的同时，提供大量肝素接枝位点（氨基），然后采用1
‑
（3
‑
二甲氨基丙基）
‑3‑
乙基碳二亚胺（edc）化学接枝肝素，通过聚磷酰胆碱两性离子与生物活性的肝素两种抗凝血作用的结合，使改性高分子膜材料的抗凝血效果更高效持久。
9.本发明所要解决的技术问题之二在于，提供一种表面复合接枝磷酰胆碱和肝素抗凝涂层的改性高分子膜材料的制备方法，磷酰胆碱和肝素抗凝涂层仅在高分子膜材料表面结合。
10.本发明通过下述技术方案得以解决：为解决上述技术问题之一，本发明的一种表面复合接枝磷酰胆碱和肝素抗凝涂层的改性高分子膜材料的表面为化学接枝磷酰胆碱和肝素两种具有抗凝作用物质的涂层。
11.在一个实施方式中，所述高分子膜材料包括聚氨酯（pu）膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet）膜、聚四氟乙烯（ptfe）膜、聚醚醚酮（peek）膜、聚酰亚胺（pi）、聚酰胺（pa）、超聚氨酯量聚乙烯（umwpe）膜、聚苯乙烯弹性体（sibs）膜中的一种或多种组合。
12.在一个实施方式中，改性高分子膜材料的厚度为0.01～2mm。
13.进而，为解决上述技术问题之二，本发明的一种表面复合接枝磷酰胆碱和肝素抗凝涂层的改性高分子膜材料的制备方法，包括以下步骤：（1）将所述高分子膜材料置于异丙醇溶液中清洗，随后用纯化水清洗，干燥，置于含n
‑
(3
‑
氨基丙基)甲基丙烯酰胺盐酸盐(apma)和二甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱(mpc)的前处理溶液中，在含铈化合物的引发下，得到含有聚磷酰胆碱两性离子(pmpc)和多个所述肝素结合位点（聚n
‑
（3
‑
氨基丙基）甲基丙烯酰胺盐酸盐的氨基（papma）的氨基）的膜材料；（2）将步骤（1）中的所述膜材料置于清洗液中清洗，浸泡，干燥；（3）将步骤（2）中的所述膜材料置于含1
‑
（3
‑
二甲氨基丙基）
‑3‑
乙基碳二亚胺（edc）和 n
‑
羟基丁二酰亚胺（nhs）的肝素溶液中反应，清洗，干燥后得到表面复合接枝所述磷酰胆碱和所述肝素抗凝涂层的所述改性高分子膜材料。
14.在一个实施方式中，步骤(1)中的所述高分子膜材料由编织法、静电纺丝法、溶液凝固法、浸提法、喷涂法中的一种或多种方法制备。
15.在一个实施方式中，步骤(1)的中所述异丙醇溶液的浓度为2.5～25%；所述异丙醇溶液和所述纯化水的清洗时间为10～30min。
16.在一个实施方式中，步骤(1)中的所述apma的浓度为5～25% w/v；所述mpc的浓度为5～25%w/v。
17.在一个实施方式中，步骤(1)中的所述前处理溶液需要先去除溶液中的氧气再加入所述含铈化合物；所述含铈化合物中铈离子浓度为0.01～0.1m。
18.在一个实施方式中，所述含铈化合物包括三氧化二铈、氯化铈、氟化铈、碳酸铈、磷酸铈、硝酸铈、硝酸铈铵中的一种或多种组合。
19.在一个实施方式中，步骤(1)中的反应温度为40～60℃，反应时间为12～24h，全程不能有氧气参与反应，反应为氩气保护。
20.在一个实施方式中，步骤(2)中的所述清洗液为纯化水、磷酸盐缓冲液（pbs溶液）、triton x
‑
100溶液中的一种；浸泡时间为12～24h；干燥方式为室温干燥或真空干燥。
21.在一个实施方式中，步骤(3)中所述肝素溶液的溶剂为ph=5
‑
6的2
‑
吗啉代乙磺酸缓冲液（mes）溶液，所述mes的含量为0.05～0.5m。
22.在一个实施方式中，步骤(3)中所述肝素溶液可以由所述肝素或者肝素钠制备；所述肝素溶液的浓度为0.5～5mg/ml。
23.在一个实施方式中，步骤(3)中所述edc与所述nhs的摩尔比0.5～10；所述nhs的浓度为0.02～0.04m。
24.在一个实施方式中，步骤(3)在温度37℃下避光反应12～24h。
25.在一个实施方式中，步骤(3)中清洗采用纯化水、pbs溶液、纯化水、30～95%的乙醇清洗；干燥为室温干燥或真空干燥。
26.在一个优选的实施方式中，高分子膜材料为聚氨酯膜。
27.在一个实施方式中，步骤（1）中配制前处理液，通入氩气，去除溶液中的氧气；待前处理液温度达到指定温度，加入含铈化合物，将膜加入，反应。
28.在一个实施方式中，聚氨酯膜的制备方法包括以下步骤：将聚氨酯粒料溶于二甲基乙酰胺（dmac）、二甲基甲酰胺（dmf）、四氢呋喃、二氧六环中的一种或多种混合液，制备质量浓度为10
‑
15%的聚氨酯溶液，将聚氨酯溶液倒入聚四氟乙烯模具中，通过真空干燥使溶剂完全蒸发，获得聚氨酯膜；聚氨酯膜经过清洗后，室温或者真空干燥备用。
29.与现有技术相比，本发明的优点在于：1.区别于现有技术，本发明的一实施例中通过含铈化合物的引发，将apma和mpc接枝到聚氨酯膜表面，引入抗凝的磷酰胆碱同时为肝素接枝创建多个氨基结合位点，提高了肝素的接枝量，提升了聚氨酯膜的抗凝血性能。
30.2.区别于现有技术，本发明的一实施例中通过将磷酰胆碱两性离子和肝素接枝到聚氨酯膜表面，可以有效减小血小板黏附，提高抗凝血性能。
31.3.区别于现有技术，本发明的一实施例中通过化学接枝的方法，将磷酰胆碱两性离子和肝素固定在聚氨酯膜表面，可保证肝素牢固度，制备的材料可满足体内抗凝的需求，实现长效抗凝。
32.4.区别于现有技术，本发明的一实施例中改性聚氨酯膜的制备方法简单，制备条件温和环保，具有良好的市场应用前景；此外，除聚氨酯膜外，其他与血液和体液接触的材料也可采用此技术进行改进。
33.本技术的实施例能够实现其它未一一列出的有利技术效果，这些其它的技术效果在下文中可能有部分描述，并且对于本领域的技术人员而言在阅读了本技术后是可以预期和理解的。
附图说明
34.图1为本发明多种实施例中改性高分子膜材料制备方法的反应流程示意图。
35.图2为本发明实施例1中未改性聚氨酯膜的水接触角。
36.图3为本发明实施例1中表面复合接枝磷酰胆碱和肝素抗凝涂层的改性聚氨酯膜的水接触角。
37.图4为本发明实施例1中未改性聚氨酯膜血小板黏附扫描电镜图。
38.图5为本发明实施例1中表面复合接枝磷酰胆碱和肝素抗凝涂层的改性聚氨酯膜血小板黏附扫描电镜图。
39.图6为本发明实施例1中表面复合接枝磷酰胆碱和肝素抗凝涂层的改性聚氨酯膜经过pbs溶液清洗30天后的血小板黏附扫描电镜图。
具体实施方式
40.下面描述和附图中所阐明的一些具体细节解释了本发明指导下的各个实施方式，相关领域技术人员能够在缺少本文所描述的一个或多个细节的情况下实施本发明指导下的其他实施方式。因此，申请人的意图并不是将所附权利要求的范围限定或以任何方式限制至细节的具体描述中。虽然下文参照附图有序地对各步骤的实施过程进行了详尽的描述，但所描述的步骤和步骤顺序及其术语不应该认为是实施本发明教导的所有实施方式所必须的。
41.同样，可以理解，本文中所使用的词组和用语是出于描述的目的，而不应当被认为是限制性的。本文中的“包括”、“包含”或“具有”及其变型的使用，旨在开放式地包括其后列出的项及其等同项以及附加的项。
42.下面将参考本技术的若干方面的不同的实施例和示例对本技术进行更详细的描述。
43.实施例1：本实施例中，高分子膜材料为聚氨酯膜。
44.本实施例中，未改性的聚氨酯膜的制备步骤包括:将聚氨酯粒料溶于二甲基乙酰胺制备质量浓度为12%的聚氨酯溶液，将聚氨酯溶液倒入聚四氟乙烯模具，均匀铺开，放入真空干燥箱，50℃真空干燥24h后，取出模具，待温度降至室温，加入纯化水，将膜取出经过清洗后，室温或者真空干燥备用，获取平整的聚氨酯膜，并将聚氨酯膜分为对照组和试验组两组，每组3片；其中，对照组：将平整的聚氨酯膜在pbs溶液中清洗后切割成10*10mm的片状进行接触角、血小板黏附测试；试验组：第一步，配制100ml含有10%w/v apma和10% w/v mpc的前处理溶液，将溶液倒入三口烧瓶，以1l/min的速度通入氩气10min，去除溶液中的氧气；第二步，待溶液达到50℃，加入0.02m硝酸铈铵，搅拌均匀后加入膜，氩气保护下反应18h；第三步，将经过前处理的膜用纯化水润洗，配制ph=7.4
±
0.2的pbs溶液，将膜浸入pbs溶液，室温下浸泡24h，之后将膜用纯化水清洗，并在空气中干燥；第四步，配制ph=5.5
±
0.5的mes溶液，其中，mes的摩尔浓度为0.05m，在mes溶液中加入1.25mg/ml的肝素钠，并加入0.03m的edc和nhs，搅拌均匀，将膜浸入，37℃避光反应24h；第五步，将反应后的膜取出，依次用纯化水，pbs溶液，纯化水，70%乙醇清洗，并在空气中干燥，改性聚氨酯膜的制备反应流程如图1所示；将试验组改性的聚氨酯膜切成10mm*10mm的片状进行接触角、肝素接枝密度、血小板黏附测试。
45.本实施例中，将试验组改性的聚氨酯膜用1x pbs溶液37℃清洗30天，转速为500
转，取出后用去离子水清洗，进行血小板黏附测试。
46.结果分析：如图2和图4所示，聚氨酯膜经过不同处理后，对照组聚氨酯膜的水接触角α为96
°
，血小板黏附极多；如图3和图5所示，试验组改性的聚氨酯膜的水接触角β为40
°
，血小板黏附几乎为零，肝素接枝密度为6.3μg/cm2,具有显著差异性；如图6所示，试验组改性的聚氨酯膜经过30天pbs溶液清洗后，血小板黏附仍保持极少的状态。
47.结论：利用本发明实施例1的方法可以有效接枝肝素到聚氨酯膜表面，并有效减小接触角，从而极大提升聚氨酯膜的抗凝血性能。
48.实施例2：与实施例1的不同之处在于：本实施例中，未改性的聚氨酯膜的制备步骤包括:将聚氨酯粒料溶于二氧六环制备质量浓度为15%的聚氨酯溶液，将聚氨酯溶液倒入聚四氟乙烯模具，均匀铺开，放入真空干燥箱，50℃真空干燥24h后，取出模具，待温度降至室温，加入纯化水，将膜取出经过清洗后，室温或者真空干燥备用，获取平整的聚氨酯膜，并将聚氨酯膜分为对照组和试验组两组，每组3片；其中，对照组：将平整的聚氨酯膜在pbs溶液中清洗后切割成10*10mm的片状进行接触角、血小板黏附测试；试验组：第一步，配制100ml含有15%w/v apma和15%w/v mpc的前处理溶液，将溶液倒入三口烧瓶，以1.5l/min的速度通入氩气20min，去除溶液中的氧气；第二步，待溶液达到50℃，加入0.03m硝酸铈，搅拌均匀后加入膜，氩气保护下反应18h；第三步，将经过前处理的膜用纯化水润洗，配制ph=7.4
±
0.2的pbs溶液，将膜浸入pbs溶液，室温下浸泡12h，之后将膜用纯化水清洗，并在空气中干燥；第四步，配制ph=5.5
±
0.5的mes溶液，其中，mes的摩尔浓度为0.1m，在mes溶液中加入2mg/ml的肝素钠，并加入0.06m的edc和0.03m的nhs，搅拌均匀，将膜浸入，37℃避光反应18h；第五步，将反应后的膜取出，依次用纯化水，pbs溶液，纯化水，75%乙醇清洗，并在空气中干燥，改性聚氨酯膜的制备反应流程如图1所示；将试验组的改性聚氨酯膜切成10mm*10mm的片状进行接触角、肝素接枝密度、血小板黏附测试。
49.结果分析：未改性的聚氨酯膜经过不同处理后，对照组聚氨酯膜的水接触角为102
°
，血小板黏附极多；试验组改性的聚氨酯膜的水接触角为50
°
，血小板黏附几乎为零，肝素接枝密度为4.3μg/cm2,具有显著差异性。
50.结论：利用本发明实施例2的方法可以有效接枝肝素到聚氨酯膜表面，并有效减小接触角，从而极大提升聚氨酯膜的抗凝血性能。
51.实施例3：与实施例1的不同之处在于：本实施例中，未改性的聚氨酯膜的制备步骤包括:将聚氨酯粒料溶于四氢呋喃/二氧六环=1：1的溶剂中制备质量浓度为15%的聚氨酯溶液，将聚氨酯溶液倒入聚四氟乙烯模具，均匀铺开，放入真空干燥箱，50℃真空干燥24h后，取出模具，待温度降至室温，加入纯化水，将膜取出经过清洗后，室温或者真空干燥备用，获取平整的聚氨酯膜，并将聚氨酯膜分为对照组和试验组两组，每组3片；其中，对照组：将平整的聚氨酯膜在pbs溶液中清洗后切割成10*10mm的片状进行接触角、血小板黏附测试；
试验组：第一步，配制100ml含有20%w/v apma和20%w/v mpc的前处理溶液，将溶液倒入三口烧瓶，以1.5l/min的速度通入氩气20min，去除溶液中的氧气；第二步，待溶液达到50℃，加入0.1m硝酸铈，搅拌均匀后加入膜，氩气保护下反应24h；第三步，将经过前处理的膜用纯化水润洗，配制ph=7.4
±
0.2的pbs溶液，将膜浸入pbs溶液，室温下浸泡24h，之后将膜用纯化水清洗，并在空气中干燥；第四步，配制ph=5.5
±
0.5的mes溶液，其中，mes的摩尔浓度为0.5m，在mes溶液中加入2mg/ml的肝素钠，并加入0.3m的edc和0.03m的nhs，搅拌均匀，将膜浸入，37℃避光反应24h；第五步，将反应后的膜取出，依次用纯化水，pbs溶液，纯化水，75%乙醇清洗，并在空气中干燥，改性聚氨酯膜的制备反应流程如图1所示；将试验组的膜切成10mm*10mm的片状进行接触角、肝素接枝密度、血小板黏附测试。
52.结果分析：未改性的聚氨酯膜经过不同处理后，对照组聚氨酯膜的水接触角为98
°
，血小板黏附极多；试验组改性聚氨酯膜的水接触角为45
°
，血小板黏附几乎为零，肝素接枝密度为5.8μg/cm2,具有显著差异性。
53.结论：利用本发明实施例3的方法可以有效接枝肝素到聚氨酯膜表面，并有效减小接触角，从而极大提升聚氨酯膜的抗凝血性能。
54.综上所述，以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。