摘 要

本篇实验以聚丙烯酸钠、纳米黏土和精氨酸树状多肽合成一种超高分子防生物污染水凝胶。水凝胶在生物医药领域有着很重要的作用，如药物控释领域、组织工程领域等。但是，由于水凝胶自身优异的生物相容性，所以会存在一定的生物污染问题。因此，在生物医药领域，只有在抗生物污染的前提下，开发出独特性能的水凝胶才是有意义的。我们所配制的水凝胶是由三种物质间的电荷相互作用形成的，聚丙烯酸钠和纳米黏土呈现负电性，精氨酸树状多肽由于其外围大量的氨基而显正电。通过实验可以看出，随着精氨酸树状多肽浓度的提升，荧光显微镜拍摄的照片中绿色荧光越来越少，也就是水凝胶上附着的细胞越来越少，即水凝胶的防生物污染性能越来越好，并且具有一定的力学强度，这种思路的成功为我们研究其他性能更好的水凝胶打下了基础。

关键词：水凝胶 防生物污染 精氨酸树状多肽

Preparation and Property Study of Anti-biofouling Hydrogel

Abstract

In this paper, sodium polyacrylate, nanometer clay and arginine dendritic polypeptide were used to synthesize a kind of high molecular hydrogel. Hydrogels play an important role in the field of biomedicine, such as drug controlled release and tissue engineering. However, due to the excellent biocompatibility of hydrogels, there will be some biological pollution problems. Therefore, in the field of biomedicine, it is meaningful to develop hydrogels with unique properties only on the premise of resisting biological pollution. The hydrogel prepared by us is formed by the electric charge interaction between three substances, sodium polyacrylate and nanometer clay are electronegative, and arginine dendritic polypeptide is positively charged due to the large number of amino groups in its periphery. As you can see, through the experiment with arginine tree peptide concentration, fluorescence microscope photographs of the green fluorescent less and less, namely water gel on the adherent cells less and less, the water gel biological pollution prevention performance is getting better and better, and it has certain mechanical strength, the success of this approach for us to study other better hydrogel laid the foundation.

Key words: hydrogel; arginine dendritic peptide; anti-biofouling

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1水凝胶 1

1.1.1水凝胶简介 1

1.1.2水凝胶材料的特点 1

1.2水凝胶在生物医学领域的应用 2

1.2.1在医药伤口敷料中的应用 2

1.2.2在药物控释领域的应用 3

1.2.3在组织工程领域的应用 3

1.3水凝胶在生物医药领域面临的问题及现状 4

1.4 防生物污染水凝胶 5

1.5本课题的研究背景、意义及内容 5

1.5.1选题背景与研究意义 5

1.5.2课题的研究内容 5

第二章 防生物污染水凝胶的制备 6

2.1实验试剂与仪器 6

2.2 聚倍半硅氧烷（POSS）的合成 6

2.2.1合成步骤 6

2.2.2 POSS的核磁共振氢谱 7

2.3 保护型一代精氨酸树状多肽的合成 8

2.3.1实验过程 8

2.3.2带保护产物的核磁共振氢谱 9

2.4 脱保护 10

2.4.1脱保护产物的核磁共振氢谱 11

2.5 水凝胶的制备 11

2.6 注意事项 12

第三章 水凝胶防生物污染性能及表征 14

3.1实验试剂与仪器 14

3.2实验过程 14

3.2.1引言 14

3.2.2实验原理 14

3.2.3细胞的培养 15

3.2.4荧光显微镜操作 15

3.3 实验结果及分析 15

3.4 实验结论 16

第四章 总结与展望 17

参考文献 18

第一章 绪论

1.1水凝胶

1.1.1水凝胶的合成

水凝胶是一类以水为分散介质的具有三维网状结构的高聚物。它的制备一般以亲水性单体为基础，而疏水性单体有时也可以用于水凝胶的制备中，用来调节其性能以适用特定的场所。一般来说，水凝胶合成的三个组成部分是单体、引发剂和交联剂，有时候会需要稀释剂。通过改变合成条件，可以调节水凝胶的性能。此外，还可以通过物理作用来合成水凝胶，即利用氢键、离子键等作用，使其具有水凝胶的特性。水溶胶高分子可能与金属离子相互作用形成凝胶，天然水溶性高分子如海藻酸、壳聚糖可分别与钙离子、磷酸根形成水凝胶。聚阳离子电解质与聚阴离子电解质相互作用也可形成水凝胶,如海藻酸的羧基与克聚糖的氨基相互作用可形成水凝胶，高分子链的聚合是另外一种水凝胶的制备方法，例如琼脂与明胶随着温度的改变存在溶胶-凝胶转变^[1]。有时一种类型的水凝胶是不能满足使用需要的，因此需要多种水凝胶共混形成合金，例如溶胀性强的水凝胶力学性能差，可以添加溶胀性差但力学性能好的水凝胶进行改性。

1.1.2水凝胶材料的特点

水凝胶在结构和性能上都具有不同于其他生物材料的显著特点，而作为表现之一就是它们具有非比寻常的生物相容性，这使得它们在作为药物缓释的载体或组织工程支架而被植入生物体应用方面具有更高价值，它们优异的生物相容性主要得益于结构和性能上的一些特殊性。首先，由于生物体的各种组织中都含有大量的水，而水凝胶中也含有大量的水，所以当水凝胶被应用于生物体后，使得自身和各种生物流体和组织之间的接触面趋于模糊，会降低表面张力，减少细胞和蛋白在表面的粘附。其次，水凝胶柔软，类似橡胶的特性会降低自身与周围组织的力学摩擦，减小对它们的破坏，从而减少或避免炎症反应。再次，由于水凝胶具有网络结构的特点，网络之间存在一定尺寸的孔径，为维持细胞生长所需的营养物质和代谢产物提供运输通道，也有利于其中所包裹的药物的释放，这为水凝胶被用来作为组织工程的支架和药物缓释的载体材料奠定了基础。由于水凝胶极好的生物相容性，并且还具有一定的力学性能，所以它可以负载一些药物，当它所处的体内环境发生细微的改变时，它会发生体积的改变，从而控制药物在指定部位的释放。水凝胶在具体应用当中必须满足特定的设计标准以达到更好的实验目的，这些标准包括传统的物理参数(降解和力学性质)，也包括生物学参数，如细胞粘附性质等。

在诸多的关键参数中，生物相容性是至关重要的，生物相容性主要是指材料在体内的存在不会对周围的细胞造成伤害，如果因为生物相容性不好导致的炎症反应引起机体对外来的植入体或病毒失去免疫应答，后果将不堪设想。所以，生物相容性为水凝胶第一重要参数，在选择水凝胶材料时必须引起重视。其次，力学性能也是水凝胶非常重要的参数之一，尤其在组织工程的应用中,这些载体胶必须为组织的生长提供必须的生长空间和力学支持。除此之外，研究表明细胞的粘附和基因的表达都和支架材料的力学性能有着密切联系，水凝胶的力学性能主要和所用高分子材料链的硬度、交联分子的类型以及交联密度有关。生物可降解性是水凝胶的重要参数之一，在组织工程中，将水凝胶作为植入体植入生物体后，如果材料在设定的时何内可以降解，就可以免除二次手术的痛苦，水凝胶的降解可以有多种原因，如水解、酶催化降解等。

1.2水凝胶在生物医学领域的应用

水凝胶具有良好的物理化学性质和生物相容性，使其在药剂学中的应用倍受重视，与疏水聚合物相比，水凝胶与所载药物或生物活性分子的相互作用影响极其微小，可使被载入的物质长时间的保持活性，高分子水凝胶(特别是环境敏感水凝胶)为自调式给药系统和生物工程方面的多种新用途提供了可行性^[2]。

1.2.1在医药伤口敷料中的应用

水凝胶在医学领域中的首要应用即为伤口敷料，水凝胶材料直接用于与人体组织接触，可防止体外微生物的感染，有效的防止体液的损失，并且能够传输氧分到伤口，一般说来能促进伤口的愈合，医用伤口敷料的合成中，通常采用抗菌性天然高分子作为单体，通过交联剂合成抗菌性水凝胶，并将消炎药物等包埋在水凝胶中，透过凝胶缓慢地释放到受伤部位，加速伤口的愈合^[3]。

1.2.2在药物控释领域的应用

水凝胶在药物制剂中的应用，特别是对于蛋白质和多肽类药物的传递具有重要的地位。由于这类药物容易水解，所以在血浆中循环的时间特别短，为维持疗效，往往每天要静脉注射多次，以保持它在治疗窗的范围内，高剂量还可能引起局部毒性和全身免疫反应。现在普遍认识到亲水性高分子可以屏蔽那些被包裹的多肽或蛋白质引起有害的影响，如触发宿主的免疫反应。水凝胶的制备条件相对温和，这也有利于此类药物的稳定。利用水凝胶的物理化学特性可以制成各种功能性的缓释或速释的制剂，以应对外部条件的改变(pH、温度)，用来调节药物释放速度和提高生物药物的治疗效果。

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