物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志J Biomed Eng2006;23(2):370~374聚乙二醇在聚礬膜上的接枝與表征孫璐孫樹東4謝虹2黃小華1樂以倫(四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院醫(yī)用高分子材料及人工器官系,成都610065)2(成都大學(xué)電子信息工程系,成都610106)摘要對(duì)用紫外輻照法在聚砜膜表面接枝的聚乙二醇作了初步的研究。通過靜態(tài)水接觸角測(cè)定、Ⅹ射線-光電子能譜分析以及原子力學(xué)顯微鏡等測(cè)試手段,對(duì)接枝前后聚砜膜表面的性能進(jìn)行了測(cè)定,證明采用同步接枝法和二步接枝法在聚砜材料表面接上了聚乙二醇,表面親水性大大提高,兩種接枝方法的接枝覆蓋率分別為77.3%和41.9%,表面形貌、相位圖等參數(shù)較接枝前變化明顯,說明用同步法在聚砜膜表面產(chǎn)生了分枝的聚乙二醇層,而二步法在聚砜膜表面產(chǎn)生了薄煎餅狀的聚乙二醇層。這一研究為下一步擬在聚砜中空纖維膜表面接上聚乙二醇刷分子層打下了基礎(chǔ)關(guān)鍵詞聚砜膜片聚乙二醇對(duì)疊氮苯甲酸紫外照射接枝原子力顯微鏡Grafting and Characterization of poly (ethylene glycol)on Polysulfone SheetsXiXiaohua Yue Yilun'(Department of Biomedical Polymers and Artificial Organs, College of Polymer Science and Engineerint2( Department of Electronic and Information Engineering, Chengdu University, Chengdu 610106, China)simultaneous or sequential UV irradiation with 4-azidobenzoic acid as the photocoupler was carried out. Waterhowed that thement of hydrophilicity on the grafted surfaX-ray photoelectron spectroscopy suggested that the area covered by PEG be 77. 3% and 41. 9% respectively aftergrafting by simultaneous and sequential pathways. With atomic force microscope(AFM),obvious difference in theshape and the phase mode was observed between surfaces of PEg-g-PSF sheets made by these two pathwayEvidences implied that simultaneous pathway would produce a branched PEG layer on the surface, while sequentialpathway was coupled with a " pan-cake"PEG layer on it. This study provides the foundation for furtheradvancement in tethering brush-like PEG on PSf hollow fiber membranesKey words Polysulfone sheet Poly (ethylene glycol )(PEG) 4-azidobenzoic acid UV-irradiationgraft Atomic force microscope(AFM)1引言率下降30%以上,一旦蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生變化還會(huì)誘發(fā)血液系統(tǒng)凝固和免疫系統(tǒng)活化等一系列有害結(jié)聚砜( Polysulfone,PSF)作為血漿分離的膜材果1-4。目前國(guó)內(nèi)外防止蛋白質(zhì)污染研究得最多的料具有十分優(yōu)良的生物相容性、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械方法是利用物理或化學(xué)方法對(duì)膜表面進(jìn)行親水性改強(qiáng)度等性能,與其他合成材料相比已廣泛受到臨床性。通過表面改性既可以保持材料本體結(jié)構(gòu)固有的醫(yī)學(xué)界的歡迎。但是PSF的疏水性使其在血漿分離機(jī)械強(qiáng)度又能使其具有必需的表面性能,達(dá)到功能過程中會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的膜污染問題——主要是蛋白質(zhì)性和生物相容性的統(tǒng)一。其中在材料表面固定化聚在PSF膜上產(chǎn)生不可逆吸附,可以使分離膜的通透乙二醇(Poly( ethylene glycol),PEG)的研究已廣第2期孫璐等。聚乙二醇在聚砜膜上的接枝與表征371效果好,但還沒有在PSF中空纖維膜上形成聚合物震蕩過夜。取出膜片,用三重蒸餾水震蕩清洗3h刷的報(bào)道-。本文采用紫外輻照法,以光活性分子后,浸泡過夜,再用超純水超聲清洗數(shù)次后,徹底沖對(duì)疊氮苯甲酸(4- Azidobenzoic acid,AzBA)為光偶洗,40C干燥,室溫保存在干燥器中。②將100l聯(lián)分子,通過同步法和二步法在PSF平面膜的表面0.1mol/L的對(duì)疊氮苯甲酸乙醇溶液均勻涂布于進(jìn)行接枝PEG刷型物的探索性試驗(yàn),從消除材料—PSF膜片上,將其放入真空烘箱40C避光孵化數(shù)小血液之間的相互作用、提高材料親水性這一方面入時(shí)后取出,用無水乙醇潤(rùn)濕表面,然后在紫外燈輻照手,為下一步在PSF類中空纖維膜上接上PEG刷數(shù)分鐘。接枝后的膜片放入三重蒸餾水中震蕩清洗打下基礎(chǔ)3h然后浸泡過夜,再用超純水超聲清洗數(shù)次后,徹2材料與方法底沖洗,40C干燥,室溫保存在干燥器中。(2)PEG在PSF膜表面的固定將經(jīng)上步處理的各膜片分2.1材料別放入盛有pH4.5~4.7的三重蒸餾水的燒杯中水溶性碳化二亞胺(EDC), ACROS Organics;按2.0 mg edo/ml水的量加入EDC至燒杯中,0對(duì)疊氮苯甲酸、對(duì)疊氮苯甲酰胺基聚乙二醇單甲醚4C條件下活化羧基2h。再加入 MPEG-NH2,0(Mn=448,4 Azidobenzoylimino-monomethoxy-4C條件下攪拌反應(yīng)4h后,從冰水浴中取出,室溫poly( ethylene glycol), ABIMPEG)、ω氨基聚乙二下繼續(xù)反應(yīng)24h。膜片放入三重蒸餾水中震蕩清洗醇單甲醚(ω Amino- monomethoxy-poly( ethylene3h后浸泡過夜,再用去離子水超聲清洗數(shù)次。最后glycol),MPEG-NH2)均為本實(shí)驗(yàn)室合成;PSF將所有膜片均在40C干燥,并在室溫下保存在干燥密度1.24g/cm3,Mn=30600,Mw=57600),德器中。國(guó)BASF公司;紫外燈(125W,Amx=365nm),上海亞明燈泡廠;AS2060超聲波清洗器奧特塞恩斯儀3結(jié)果與討論器有限公司;XLBD400402型平板硫化機(jī),青島第3.1PSF表面親水性的表征三橡膠機(jī)械廠;日本產(chǎn)Erma靜態(tài)接觸角測(cè)定儀用靜態(tài)接觸角測(cè)定儀測(cè)定了PSF膜面經(jīng)PEGⅹSAM-800Ⅹ光電子能譜分析儀, Kratos公司;接枝前后的靜態(tài)水接觸角,考察其親水性能的變化SPI3800N/SPA-400型掃描探針顯微鏡(懸臂型號(hào)以蒸餾水作為測(cè)試介質(zhì),每3蒸餾水作為一滴為SL-DF20,探針材料為氮化硅),日本精工。每種樣品測(cè)3張平行樣,每張膜片上取5個(gè)測(cè)試點(diǎn)2.2方法并取所有測(cè)試結(jié)果的總平均值和均方差。2.2.1PSF膜的制作按文獻(xiàn)[9的方法,通過熱3.1.1同步法接枝從圖1、2和3中可以看出壓成型制備PSF膜。PSF膜表面接上了聚乙二醇單甲醚(MPEG)后,水2.2.2PEG在PSF膜上的同步法光接枝將200接觸角隨著接枝用 ABIMPEG溶液濃度的增大、孵μ^ BIMPEG溶液均勻涂布于PSF膜片上,放入化時(shí)間和紫外輻照時(shí)間的延長(zhǎng)而呈下降的趨勢(shì),曲40℃真空烘箱,避光孵化數(shù)小時(shí)后取出,然后紫外燈線開始迅速下降,達(dá)到一定值后,曲線變化平緩。從下輻照數(shù)分鐘(在輻照前若先用三重蒸餾水潤(rùn)濕表圖2可知孵化時(shí)N2保護(hù)有利于 ABIMPEG在膜表面再進(jìn)行輻照的稱之為濕態(tài);若不用水潤(rùn)濕表面直面的吸附,因而光照接枝效果更好。干態(tài)和濕態(tài)條件接用Uⅴ輻照的稱之為干態(tài))。接枝后的膜片放入下接枝后的PSF表面的接觸角曲線變化趨勢(shì)相同三重蒸餾水中震蕩清洗3h后,浸泡過夜,再用去離見圖3),但由于干態(tài)接枝時(shí)PEG長(zhǎng)鏈運(yùn)動(dòng)受阻,子水超聲清洗3次,每次5min,清洗后的膜片均在活化的氮烯難于在表面參與成鍵,所以接觸角的降40C干燥,室溫保存在干燥器中。低趨勢(shì)不及濕法。從以上結(jié)果可確定接枝條件為:接2.2.3PEG在PSF膜上的二步法光接枝(1)枝用 ABIMPEG溶液的濃度為3mg/cm2,N2保護(hù)PSF膜表面羧基的引入通過兩種方法進(jìn)行:①將下40C孵化5h以上,在濕態(tài)條件下紫外輻照的時(shí)100lo.1mol/L的對(duì)疊氮苯甲酸NaOH溶液均勻間為50min涂布于PSF膜片上,放入真空烘箱40℃避光孵化數(shù)3.1.2二步法接枝在PSF膜表面接枝了MPEG小時(shí),取岀用100μ三重蒸餾水潤(rùn)濕表面,然后在后,表面親水性明顯提高(見表1),但提高程度不及372生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志第23卷劑時(shí),由于疊氮基團(tuán)在Uⅴ輻照下光解產(chǎn)生的氮烯7會(huì)與乙醇發(fā)生反應(yīng)而被消耗,所以材料表面的接觸角基本沒有改變,未能達(dá)到表面改性的目的。表1二步法接接上MPEG后PSF膜的接觸角Table 1 Contact angles of MPEG-grafted PSF sheets by sequentialAzBA-PSF AzBA-PSFMPEGMPEG MPEG+AzBAEtOH Sol) (HOABIMPEG concentration(mg/cm)Degrees75.1±2.973,1±2.663.2±3.252.5士2.8MPEG+ AzBA-PSF sequential * AzBA-PSF-MPEG圖1 ABIMPEG濃度對(duì)改性的聚砜片的接觸角的影響Fig I Effect of ABIMPEG concentration for graft modification on 3.2 XPS s*Econtact angles of modified PsF sheets對(duì)MPEG、PSF膜、接有對(duì)疊氮苯甲酸的PSF膜、接有PEG刷的PSF膜(同步法和二步法)分別進(jìn)行了Ⅹ-光電子能譜分析。采用 XPS PEAK1.0軟件對(duì)樣品的C峰進(jìn)行分峰擬合,對(duì)樣品分子結(jié)構(gòu)中不同化學(xué)環(huán)境的C元素的結(jié)合能,采用文獻(xiàn)[10]報(bào)道的方法和數(shù)據(jù)t55從元素分析結(jié)果表(見表2)中可以看到:(1)采用同步法在PSF表面接上PEG后,OC大大提高0I21416氧的比重明顯增加;N元素的出現(xiàn)是CONH-基團(tuán)Time(h)引入的結(jié)果;(2)采用二步法在PSF表面接上PEG后,同樣,OC提高,氧的比重明顯增加,N元素出2孵化時(shí)間對(duì)接上 ABIMPEG的聚砜片接觸角的影響現(xiàn)(孵化條件:1.無N2保護(hù)40C;2.有N2保護(hù)40C)Fig 2 Effect of incubation time on contact angles of ABIMPEG表2MPEG和PSF表面接枝前后的XPS元素分析結(jié)果Table 2 XPS Element Contents of MPEG, PSF and MPEG-graftedConditions of incubation: 1. Unprotected at 40C: 2. ProtectedPSFswith N, at 40 C)SamplesPSF0,917,4OMPEG0.41MPEG- PSF,90,36MPEG- PSF273.421.8000.29o Grafting PMEG on PSF membrane simultaneously: 2Grafting PMEG on PSF membrane sequentially從C分譜擬和表(見表3)中可以看到:(1)用2同步法PSF表面的C1主峰(C=C,284.7eV)明顯010x01304506°降低(從76.6%下降到55.2%),而C-O的峰Time( min)(286.5eV)明顯增加(從13.7%增加到37.6%),這是醚鍵大量引入的結(jié)果;同時(shí)CONH-出現(xiàn),這都說圖3UⅤ輻照時(shí)間對(duì)同步法接枝的聚砜片接觸角的影響明我們已經(jīng)通過與PSF表面形成酰胺鍵,成功地接(接枝狀態(tài):1.干態(tài);2.濕態(tài)上了大量PEG。(2)用二步法PSF表面的Cls主峰第2期孫璐等。聚乙二醇在聚砜膜上的接枝與表征37313.7%增加到25.7%),這也說明我們已經(jīng)通過與被縮小。PSF表面形成酰胺鍵,成功地接上了大量PEG。但是也可看到二步法的N的含量明顯高于同步法的,出現(xiàn)明顯的-COOH峰,這是由于部分接枝在材料表面的COOH基團(tuán)沒有與MPEG-NH2反應(yīng)所造成。表3MPEG和PSF表面接枝前后ⅹPS的CIs分析結(jié)果Table 3 XPS CIs Curve Fittings of MPEG, PSF and市川MPEG-grafted PSFsCIs Peak, mol fractionSample C=c cc cs co(N)- (coo-)23.176.69.713.7PSF-MPEG 55.2 5.9 37.PSF-MPEG257,05.825.711O Grafting PMEG on PSF membrane simultaneously: ( 2) GraftPMEG on PSF membrane sequentially本文采用理論計(jì)算的方法,結(jié)合XPS的相關(guān)數(shù)據(jù)得到PSF表面MPEG接枝覆蓋率的近似值。從圖4同步法接上MPEG的聚砜膜片(a)高度圖;(b)相圖;(c)3-D圖XPS分析可以看出,C和O是大量存在的元素,為Fig 4 Graft PMEG on PSF sheets simultaneously減少誤差,在接枝率計(jì)算中采用表2中C元素和O(a) height image;(b) Phase image:(c)3-D View元素的數(shù)據(jù),不考慮S元素。先進(jìn)行兩點(diǎn)假設(shè):(1)因C、O為同周期相鄰元素,故假設(shè)其原子半徑相等,因而XPS所測(cè)的接枝前后單位面積樣品表面的CO原子總數(shù)保持不變;(2)PSF和MPEG在接枝前后的XPS檢測(cè)結(jié)果不發(fā)生變化。設(shè)PSF樣品表面被MPEG接枝覆蓋率為m,則根據(jù)表2中的數(shù)據(jù),接枝XPS測(cè)得的OC—即(每單位面積上的O含量)/(每單位面積上的C含量)為O0.29m+0.174(1-m)C0.71m+0.809(1-m)根據(jù)表2中的數(shù)據(jù),可求得:利用一步法,MPEG在PSF膜表面的接枝覆蓋率為77.3%;利用二步法的接枝覆蓋率為41.9%。3.3AFM分析圖5二步法接上MPEG的聚硯膜片圖4和圖5分別表示了同步法和二步法接枝(a)高度圖;(b)相圖;(c)3-D圖Fig 5 Graft MPEG on PsF sheets sequentiallyPEG的PSF膜片。從相圖的明顯變化可以說明本實(shí)(a) height image i (b)Phase image: (c)3-D View驗(yàn)成功地在PSF膜表面接枝了PEG。從它們的高度圖和三維圖可以看到表面出現(xiàn)圓形的突起,但突起通過高度圖測(cè)量出同步法接枝的PEG平均高的大小并不一致。對(duì)這一點(diǎn)可以做出的合理解釋是:度和寬度分別為40mm和120mm;而二步法接枝的基材表面不是絕對(duì)的平整,有的地區(qū)更高,有的更分別為10mm和70nm(由于各突起間是連續(xù)的,所低,當(dāng)這些本來大小一致的突起處于基材的不同高以忽略儀器放大效應(yīng)的影響)。完全伸展的37生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志第23卷個(gè)突起的尺寸甚至大于完全伸展的PEG鏈的長(zhǎng)度,參考文獻(xiàn)因此認(rèn)為每個(gè)突起并不是由單獨(dú)的PEG鏈組成的,而是由于接枝密度不高,PEG長(zhǎng)鏈自身團(tuán)聚呈薄煎SunS,YueY, Huang x,etal, Protein adsorption on blood餅狀(Pan-cake)覆蓋在PSF的表面12contact membranes, J Membr Sci, 2003: 222(1-2):3通過對(duì)比均方根面粗糙度(RMS)發(fā)現(xiàn):同步法2 Nysreom M. Jarvinen P. Modification of polysulfone接枝的膜片粗糙度比空白(對(duì)比)試樣大,同時(shí)二步hydrophilicity increasing agents. J Membr Sci. 1991: 60: 275法接枝的膜片反而變得更光滑。這是因?yàn)橥椒ㄔ?NsnJ. Protein fouling of UF membranes; causes and紫外線的輻照下產(chǎn)生的氮烯不但可以插入PSF表consequences. J Membr Sci, 1990: 52 :12面的C-H之間,還可以插入到先接枝在PSF表面的Brink LES, Romijn DJ. Reducing the protein fouling ofPEG鏈的CH之間,產(chǎn)生了帶分支的PEG層。所以surfacesmembranes: optimization of the type of presorbed layer.同步法接枝的膜片粗糙度大。而二步法接枝的密度Desalination, 1990:78: 209相對(duì)小,每條接枝鏈活動(dòng)的自由度大,易于形成薄煎5 Nagaoka S. Clinical application of antithrombogenic hydrogel餅狀貼附在PSF上,各個(gè)薄煎餅的邊沿相互接觸而with long poly (ethylene oxide chains. Biomaterials, 1990; 11不是交蓋,因此在PSF片上形成一層薄的表面,甚1至比基材更光滑6 Llanos GR, Sefton MV. Review: does polyethylene oxidepossess a low thrombogenicity? J Biomater Sci Polymer Edn4結(jié)論7 Milner ST. Polymer brushes. Science, 1991: 251 :905本文采用同步法紫外光輻照在PSF膜片的表8SnL. Ammonification of methoxy polyethylene glycol and面接枝上了PEG;主要討論了不同接枝條件對(duì)接枝graft of poly (ethylene glycol) brush on polysulfone membrane效果的影響;并確定了接枝工藝。并首次采用以對(duì)疊Master thesis, Sichuan University, Chengdu: 2003: 28-29[IN氮苯酸為光偶合分子的二步法光接枝。通過靜態(tài)水璐.聚乙二醇單甲醚的氨化與聚乙二醇刷型聚合物在聚砜膜上的接枝,四川大學(xué)碩士論文,成都:2003:28-29]接觸角測(cè)定、XPS以及AFM等測(cè)試手段,對(duì)接枝前 Johnson RN, Farnham Ac, Clendinning ra.a., Poly(aryl后PSF膜表面的性能進(jìn)行了測(cè)定,證明我們采用同ethers) by nucleophilic aromatic substitution. I. Synthesis步法和二步法在PSF材料表面接上了PEG,表面親and properties. J Polym Sci, Part A-1, 1967: 5: 2375水性大大提高兩種接枝方法的接枝覆蓋率分別為10 anson,Bigs. igh resolution XPs of organic77.3%和41.9%,表面形貌、相位圖等參數(shù)較接枝polymers. The Scienta ESCA300 database, 199211 Koustos V. Physical properties of grafted polymer monolayers前變化明顯。結(jié)合光接枝的理論分析說明用同步法studies by scanning force microscopy Morphology, friction在PSF膜表面產(chǎn)生了分枝的PEG,而應(yīng)用二步法在elasticity. University Groningen thesis, Netherlands, 1997.24PSF膜表面產(chǎn)生了薄煎餅狀的PEG層。這一研究為12 Yang Z, Galloway JA, Protein Interactions with poly (ethylene下一步要在PSF中空纖維膜上接枝PEG刷狀分子glycol self-assembled monolayers on glas層提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。但是在PSF表面接枝的PEGdiffusion and adsorption. Langmiur. 1999: 15. 8405(收稿:2003-09-15修回:2004-03-22)鏈的密度和均勻度仍需進(jìn)一步提高,對(duì)其性能的全面評(píng)價(jià)還有待于深入研究