聚乙二醇在聚砜膜上的接枝与表征

物医学工程学杂志J Biomed Eng2006;23(2):370~374聚乙二醇在聚矾膜上的接枝与表征孙璐孙树东4谢虹2黄小华1乐以伦(四川大学高分子科学与工程学院医用高分子材料及人工器官系,成都610065)2(成都大学电子信息工程系,成都610106)摘要对用紫外辐照法在聚砜膜表面接枝的聚乙二醇作了初步的研究。通过静态水接触角测定、Ⅹ射线-光电子能谱分析以及原子力学显微镜等测试手段,对接枝前后聚砜膜表面的性能进行了测定,证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,表面亲水性大大提高,两种接枝方法的接枝覆盖率分别为77.3%和41.9%,表面形貌、相位图等参数较接枝前变化明显,说明用同步法在聚砜膜表面产生了分枝的聚乙二醇层,而二步法在聚砜膜表面产生了薄煎饼状的聚乙二醇层。这一研究为下一步拟在聚砜中空纤维膜表面接上聚乙二醇刷分子层打下了基础关键词聚砜膜片聚乙二醇对叠氮苯甲酸紫外照射接枝原子力显微镜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,一旦蛋白质的构象发生变化还会诱发血液系统凝固和免疫系统活化等一系列有害结聚砜( Polysulfone,PSF)作为血浆分离的膜材果1-4。目前国内外防止蛋白质污染研究得最多的料具有十分优良的生物相容性、化学稳定性和机械方法是利用物理或化学方法对膜表面进行亲水性改强度等性能,与其他合成材料相比已广泛受到临床性。通过表面改性既可以保持材料本体结构固有的医学界的欢迎。但是PSF的疏水性使其在血浆分离机械强度又能使其具有必需的表面性能,达到功能过程中会出现严重的膜污染问题——主要是蛋白质性和生物相容性的统一。其中在材料表面固定化聚在PSF膜上产生不可逆吸附,可以使分离膜的通透乙二醇(Poly( ethylene glycol),PEG)的研究已广第2期孙璐等。聚乙二醇在聚砜膜上的接枝与表征371效果好,但还没有在PSF中空纤维膜上形成聚合物震荡过夜。取出膜片,用三重蒸馏水震荡清洗3h刷的报道-。本文采用紫外辐照法,以光活性分子后,浸泡过夜,再用超纯水超声清洗数次后,彻底冲对叠氮苯甲酸(4- Azidobenzoic acid,AzBA)为光偶洗,40C干燥,室温保存在干燥器中。②将100l联分子,通过同步法和二步法在PSF平面膜的表面0.1mol/L的对叠氮苯甲酸乙醇溶液均匀涂布于进行接枝PEG刷型物的探索性试验,从消除材料—PSF膜片上,将其放入真空烘箱40C避光孵化数小血液之间的相互作用、提高材料亲水性这一方面入时后取出,用无水乙醇润湿表面,然后在紫外灯辐照手,为下一步在PSF类中空纤维膜上接上PEG刷数分钟。接枝后的膜片放入三重蒸馏水中震荡清洗打下基础3h然后浸泡过夜,再用超纯水超声清洗数次后,彻2材料与方法底冲洗,40C干燥,室温保存在干燥器中。(2)PEG在PSF膜表面的固定将经上步处理的各膜片分2.1材料别放入盛有pH4.5~4.7的三重蒸馏水的烧杯中水溶性碳化二亚胺(EDC), ACROS Organics;按2.0 mg edo/ml水的量加入EDC至烧杯中,0对叠氮苯甲酸、对叠氮苯甲酰胺基聚乙二醇单甲醚4C条件下活化羧基2h。再加入 MPEG-NH2,0(Mn=448,4 Azidobenzoylimino-monomethoxy-4C条件下搅拌反应4h后,从冰水浴中取出,室温poly( ethylene glycol), ABIMPEG)、ω氨基聚乙二下继续反应24h。膜片放入三重蒸馏水中震荡清洗醇单甲醚(ω Amino- monomethoxy-poly( ethylene3h后浸泡过夜,再用去离子水超声清洗数次。最后glycol),MPEG-NH2)均为本实验室合成;PSF将所有膜片均在40C干燥,并在室温下保存在干燥密度1.24g/cm3,Mn=30600,Mw=57600),德器中。国BASF公司;紫外灯(125W,Amx=365nm),上海亚明灯泡厂;AS2060超声波清洗器奥特塞恩斯仪3结果与讨论器有限公司;XLBD400402型平板硫化机,青岛第3.1PSF表面亲水性的表征三橡胶机械厂;日本产Erma静态接触角测定仪用静态接触角测定仪测定了PSF膜面经PEGⅹSAM-800Ⅹ光电子能谱分析仪, Kratos公司;接枝前后的静态水接触角,考察其亲水性能的变化SPI3800N/SPA-400型扫描探针显微镜(悬臂型号以蒸馏水作为测试介质,每3蒸馏水作为一滴为SL-DF20,探针材料为氮化硅),日本精工。每种样品测3张平行样,每张膜片上取5个测试点2.2方法并取所有测试结果的总平均值和均方差。2.2.1PSF膜的制作按文献[9的方法,通过热3.1.1同步法接枝从图1、2和3中可以看出压成型制备PSF膜。PSF膜表面接上了聚乙二醇单甲醚(MPEG)后,水2.2.2PEG在PSF膜上的同步法光接枝将200接触角随着接枝用 ABIMPEG溶液浓度的增大、孵μ^ BIMPEG溶液均匀涂布于PSF膜片上,放入化时间和紫外辐照时间的延长而呈下降的趋势,曲40℃真空烘箱,避光孵化数小时后取出,然后紫外灯线开始迅速下降,达到一定值后,曲线变化平缓。从下辐照数分钟(在辐照前若先用三重蒸馏水润湿表图2可知孵化时N2保护有利于 ABIMPEG在膜表面再进行辐照的称之为湿态;若不用水润湿表面直面的吸附,因而光照接枝效果更好。干态和湿态条件接用Uⅴ辐照的称之为干态)。接枝后的膜片放入下接枝后的PSF表面的接触角曲线变化趋势相同三重蒸馏水中震荡清洗3h后,浸泡过夜,再用去离见图3),但由于干态接枝时PEG长链运动受阻,子水超声清洗3次,每次5min,清洗后的膜片均在活化的氮烯难于在表面参与成键,所以接触角的降40C干燥,室温保存在干燥器中。低趋势不及湿法。从以上结果可确定接枝条件为:接2.2.3PEG在PSF膜上的二步法光接枝(1)枝用 ABIMPEG溶液的浓度为3mg/cm2,N2保护PSF膜表面羧基的引入通过两种方法进行:①将下40C孵化5h以上,在湿态条件下紫外辐照的时100lo.1mol/L的对叠氮苯甲酸NaOH溶液均匀间为50min涂布于PSF膜片上,放入真空烘箱40℃避光孵化数3.1.2二步法接枝在PSF膜表面接枝了MPEG小时,取岀用100μ三重蒸馏水润湿表面,然后在后,表面亲水性明显提高(见表1),但提高程度不及372生物医学工程学杂志第23卷剂时,由于叠氮基团在Uⅴ辐照下光解产生的氮烯7会与乙醇发生反应而被消耗,所以材料表面的接触角基本没有改变,未能达到表面改性的目的。表1二步法接接上MPEG后PSF膜的接触角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图1 ABIMPEG浓度对改性的聚砜片的接触角的影响Fig I Effect of ABIMPEG concentration for graft modification on 3.2 XPS s*Econtact angles of modified PsF sheets对MPEG、PSF膜、接有对叠氮苯甲酸的PSF膜、接有PEG刷的PSF膜(同步法和二步法)分别进行了Ⅹ-光电子能谱分析。采用 XPS PEAK1.0软件对样品的C峰进行分峰拟合,对样品分子结构中不同化学环境的C元素的结合能,采用文献[10]报道的方法和数据t55从元素分析结果表(见表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氧的比重明显增加;N元素的出现是CONH-基团Time(h)引入的结果;(2)采用二步法在PSF表面接上PEG后,同样,OC提高,氧的比重明显增加,N元素出2孵化时间对接上 ABIMPEG的聚砜片接触角的影响现(孵化条件:1.无N2保护40C;2.有N2保护40C)Fig 2 Effect of incubation time on contact angles of ABIMPEG表2MPEG和PSF表面接枝前后的XPS元素分析结果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从C分谱拟和表(见表3)中可以看到:(1)用2同步法PSF表面的C1主峰(C=C,284.7eV)明显010x01304506°降低(从76.6%下降到55.2%),而C-O的峰Time( min)(286.5eV)明显增加(从13.7%增加到37.6%),这是醚键大量引入的结果;同时CONH-出现,这都说图3UⅤ辐照时间对同步法接枝的聚砜片接触角的影响明我们已经通过与PSF表面形成酰胺键,成功地接(接枝状态:1.干态;2.湿态上了大量PEG。(2)用二步法PSF表面的Cls主峰第2期孙璐等。聚乙二醇在聚砜膜上的接枝与表征37313.7%增加到25.7%),这也说明我们已经通过与被缩小。PSF表面形成酰胺键,成功地接上了大量PEG。但是也可看到二步法的N的含量明显高于同步法的,出现明显的-COOH峰,这是由于部分接枝在材料表面的COOH基团没有与MPEG-NH2反应所造成。表3MPEG和PSF表面接枝前后ⅹPS的CIs分析结果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本文采用理论计算的方法,结合XPS的相关数据得到PSF表面MPEG接枝覆盖率的近似值。从图4同步法接上MPEG的聚砜膜片(a)高度图;(b)相图;(c)3-D图XPS分析可以看出,C和O是大量存在的元素,为Fig 4 Graft PMEG on PSF sheets simultaneously减少误差,在接枝率计算中采用表2中C元素和O(a) height image;(b) Phase image:(c)3-D View元素的数据,不考虑S元素。先进行两点假设:(1)因C、O为同周期相邻元素,故假设其原子半径相等,因而XPS所测的接枝前后单位面积样品表面的CO原子总数保持不变;(2)PSF和MPEG在接枝前后的XPS检测结果不发生变化。设PSF样品表面被MPEG接枝覆盖率为m,则根据表2中的数据,接枝XPS测得的OC—即(每单位面积上的O含量)/(每单位面积上的C含量)为O0.29m+0.174(1-m)C0.71m+0.809(1-m)根据表2中的数据,可求得:利用一步法,MPEG在PSF膜表面的接枝覆盖率为77.3%;利用二步法的接枝覆盖率为41.9%。3.3AFM分析图5二步法接上MPEG的聚砚膜片图4和图5分别表示了同步法和二步法接枝(a)高度图;(b)相图;(c)3-D图Fig 5 Graft MPEG on PsF sheets sequentiallyPEG的PSF膜片。从相图的明显变化可以说明本实(a) height image i (b)Phase image: (c)3-D View验成功地在PSF膜表面接枝了PEG。从它们的高度图和三维图可以看到表面出现圆形的突起,但突起通过高度图测量出同步法接枝的PEG平均高的大小并不一致。对这一点可以做出的合理解释是:度和宽度分别为40mm和120mm;而二步法接枝的基材表面不是绝对的平整,有的地区更高,有的更分别为10mm和70nm(由于各突起间是连续的,所低,当这些本来大小一致的突起处于基材的不同高以忽略仪器放大效应的影响)。完全伸展的37生物医学工程学杂志第23卷个突起的尺寸甚至大于完全伸展的PEG链的长度,参考文献因此认为每个突起并不是由单独的PEG链组成的,而是由于接枝密度不高,PEG长链自身团聚呈薄煎SunS,YueY, Huang x,etal, Protein adsorption on blood饼状(Pan-cake)覆盖在PSF的表面12contact membranes, J Membr Sci, 2003: 222(1-2):3通过对比均方根面粗糙度(RMS)发现:同步法2 Nysreom M. Jarvinen P. Modification of polysulfone接枝的膜片粗糙度比空白(对比)试样大,同时二步hydrophilicity increasing agents. J Membr Sci. 1991: 60: 275法接枝的膜片反而变得更光滑。这是因为同步法在3NsnJ. Protein fouling of UF membranes; causes and紫外线的辐照下产生的氮烯不但可以插入PSF表consequences. J Membr Sci, 1990: 52 :12面的C-H之间,还可以插入到先接枝在PSF表面的Brink LES, Romijn DJ. Reducing the protein fouling ofPEG链的CH之间,产生了带分支的PEG层。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相对小,每条接枝链活动的自由度大,易于形成薄煎5 Nagaoka S. Clinical application of antithrombogenic hydrogel饼状贴附在PSF上,各个薄煎饼的边沿相互接触而with long poly (ethylene oxide chains. Biomaterials, 1990; 11不是交盖,因此在PSF片上形成一层薄的表面,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结论7 Milner ST. Polymer brushes. Science, 1991: 251 :905本文采用同步法紫外光辐照在PSF膜片的表8SnL. Ammonification of methoxy polyethylene glycol and面接枝上了PEG;主要讨论了不同接枝条件对接枝graft of poly (ethylene glycol) brush on polysulfone membrane效果的影响;并确定了接枝工艺。并首次采用以对叠Master thesis, Sichuan University, Chengdu: 2003: 28-29[IN氮苯酸为光偶合分子的二步法光接枝。通过静态水璐.聚乙二醇单甲醚的氨化与聚乙二醇刷型聚合物在聚砜膜上的接枝,四川大学硕士论文,成都:2003:28-29]接触角测定、XPS以及AFM等测试手段,对接枝前 Johnson RN, Farnham Ac, Clendinning ra.a., Poly(aryl后PSF膜表面的性能进行了测定,证明我们采用同ethers) by nucleophilic aromatic substitution. I. Synthesis步法和二步法在PSF材料表面接上了PEG,表面亲and properties. J Polym Sci, Part A-1, 1967: 5: 2375水性大大提高两种接枝方法的接枝覆盖率分别为10 anson,Bigs. igh resolution XPs of organic77.3%和41.9%,表面形貌、相位图等参数较接枝polymers. The Scienta ESCA300 database, 199211 Koustos V. Physical properties of grafted polymer monolayers前变化明显。结合光接枝的理论分析说明用同步法studies by scanning force microscopy Morphology, friction在PSF膜表面产生了分枝的PEG,而应用二步法在elasticity. University Groningen thesis, Netherlands, 1997.24PSF膜表面产生了薄煎饼状的PEG层。这一研究为12 Yang Z, Galloway JA, Protein Interactions with poly (ethylene下一步要在PSF中空纤维膜上接枝PEG刷状分子glycol self-assembled monolayers on glas层提供了实验依据。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)链的密度和均匀度仍需进一步提高,对其性能的全面评价还有待于深入研究