基于生物材料的壳聚糖海藻酸钠的表面电荷和机械特性的研究

基于生物材料的壳聚糖/海藻酸钠的表面电荷和机械特性的研究 摘要：这个研究目的是为了生物医学应用而检验壳聚糖/藻朊酸盐生物材料的表

面电荷和机械力学特性。通过不同浓聚度的壳聚糖和藻朊酸盐，我们测的表面有不同浓度的表面电荷和力学性能。这些膜表面的电荷浓度由一种源自原子力显微镜（AFM)的曲线分析模型。膜的平均表面电荷浓度包含60%壳聚糖和80%壳聚糖对应0.46mc/m2和0.32mc/m2。膜包含90%壳聚糖电荷被发现为中性，并且随着壳聚糖浓度的提高弹性系数和水容量会降低。膜包含壳聚糖60%，80%，90%会增加93.5+/-6.6%，217.1+/-22.1%和396.8+/-67.5%对于他们最初的质量。而这儿的弹性系数分别为2.6+/-0.14Mpa，1.9+/-0.17Mpa和0.93+/-0.12Mpa。这种倾向于观察机械回应的膜归咎于结合聚合电解质的影响和大量水的吸收。傅立叶变换红外光谱学实验表明膜表面更高的藻酸盐对比与其他同体积膜。根据AFM实验表明有更高藻酸盐浓度的膜表面有连续不断的负电荷。

1.介绍

生物材料是合成的或起源于生物的，并可有望执行它们所取代的组织的生物功能。在一些应用中，如在骨移植中，它们可以与周围组织相互作用并形成牢固的键[1-3]。在其他如血管移植和抗粘连屏障，它们应该表现出惰性，并避免任何细胞的粘连[4-6]。所有植入的生物材料可能潜在地引起宿主组织的响应，而且该响应可归因于来自复杂而繁多的材料性能的交互作用，举几个例子来说，如机械性能，表面化学，体相化学，表形，形状和降解速率。所有这些最终涉及到表面的相互作用[7,8]。

除了上述因素的影响，表面电荷也被观察到对细胞的行为，如炎性反应，集落形成，取向，粘连和增殖显著影响。Hunt等。研究了对炎症反应刺激作用下的表面电荷的影响[9]。通过改变取代负电荷的磺酸盐基团，聚（醚）氨基甲酸酯表面电荷逐渐增加。结果表明在早期阶段的急性炎症反应的显著影响。表面电荷密度也已发现，覆布有正和负电荷的分子纤维网眼影响血管向内生长[10]。带负电荷的网格更加显著的促进血管向内生长。表面电荷密度也被报道了是通过成骨细胞和神经母细胞瘤细胞的取向从而影响集落形成。[11,12]

当具有相反电荷的基团时，如脱乙酰壳多糖和藻酸盐的聚合物，在水性条件下混合，它们自发地结合形成聚电解质复合物（PEC）。PECs组成主要包括至少两种相反电荷的聚合物[13]。聚合电解质复合物形成的驱动力是带相反电荷的聚合物之间的熵和强烈的静电吸引力。脱乙酰壳多糖可作为一种三维组织的生长的非蛋白质基质。潜在地，它可以提供生物细胞组织增生和重建的引物[14]。但是，脱乙酰壳多糖具有非常低的机械完整性，并降解地十分迅速。许多研究已经进行了基于壳聚糖设计和制造的混合系统[15-17]，通过化学修饰的氨基和/或羟基基团，以实现改进机械性能，以及改进的生物性能[18-20]。藻酸盐被认为是阴离子聚电解质。壳聚糖和藻酸盐在动物研究中已被证明具有生物相容性，生物降解性的和生物功能性[21-24]。聚电解质复合物的生物材料，特别是基于多糖的，具有的伤口愈合，药物递送和组织工程应用的潜能[17,21,25]。PECs在已经开发的微胶囊，水凝胶，薄膜和泡沫[26-28]等方面产生了不同的生物材料。近日，在维尔马报。报道一种新的方法来合成PEC支架和薄膜[15]。此方法允许更好地控制成分，混合和PECs的结构，其中后者可通过改变pH值来控制。在较高的pH（?8），以纳米胶体颗粒形式存在，而在低pH值（?4），以纤维状的PECs的形式（图1）存在。目前壳聚糖/海藻酸钠基薄膜包括PEC纤维。另外，室温和基于水加工条件的PECs将有可能减轻与生物活性剂结合。两者的机械性能的表面电

荷特性影响其生物反应。因此，在这里，我们报道其机械性能和脱乙酰壳多糖/藻酸盐类膜的表面电荷的测量。这是对壳聚糖/海藻酸盐基生物材料表面电荷测量的第一项研究。

图1

2.材料和方法

2.1 材料

脱乙酰壳多糖（脱乙酰化，> 75％，分子量为300千道尔顿-400 kDa的）和藻酸钠（分子量12 KDa的-40 KDa的）购自Sigma-Aldrich化学品公司。所有这些化学品均是购自igma-Aldrich化学品公司。 2.2 试验

使用Nanoscope-IIIA控制器并配备了J型压电扫描仪的多模AFM测量AFM力曲线(Veeco Metrology Group, Santa Barbara, CA)。AFM针尖（Novascan Technologies公司）通过二氧化硅珠（直径5微米和0.17牛顿/米2的弹簧常数）进行了预改性。机械测试使用的是

EnduraTech，ELF 3200。 Bruker Equinox 55 FTIR光谱仪（布鲁克光谱公司，比尔里卡，MA）用于FTIR分析。傅立叶变换红外光谱均被收集在传输（4000-400 cm-1）和衰减全反射（ATR）模式（4000-600 cm-1）中。所有测量均通过4cm-1的分辨率进行共加入100次扫描。 2.3 壳聚糖海藻酸钠薄膜的制备

该脱乙酰壳多糖溶液（1％w / v）的是用含有100微升的乙酸的30毫升的去离子水溶解0.3克壳聚糖而制备的。该海藻酸钠溶液（1％w / v）的是用30毫升的去离子水溶解0.3克海藻酸钠而制备的。脱乙酰壳多糖溶液逐滴于藻酸钠溶液使这两种溶液混合在一起。下一步将混合溶液进行超声处理，空气干燥24小时，制成薄膜。这些膜的脱乙酰壳多糖/藻酸盐比率分别为60/40的（壳聚糖海藻酸钠60）80/20（壳聚糖海藻酸钠80）和90/10的（壳聚糖海藻酸钠90）。制备的膜的厚度是用数字测径器进行测量的。 2.4 PEC含量测定

每个壳聚糖海藻酸钠的2毫升溶液在6000rpm下离心3分钟。除去上清液后，加入1ml去离子水到残余物溶液中并混合。此过程重复3次，以除去可溶部分。残余PEC在50℃干燥和最终质量标记作为PEC组成。 2.5 力数据集的数据分析

原子力显微镜（AFM）是一种用于表面分析高度无创的技术。它也被广泛地用于确定表面电势[29-31]。表面电位测量间接的通过AFM实验的力曲线确定。在该技术中，力被测量为尖部 - 表面分离的函数。除了静电相互作用，AFM力曲线分析也被应用到分子识别，蛋白质折叠和范德华相互作用[32,33]。图2显示了一个典型的AFM力曲线的示意图。收集力曲线（FV）的数据集，或力的映射，使用的是Nanoscope控制软件（版本NS3A，数字仪器）。力映射涉及力曲线集合的每个点的规则间隔排列在两维（X-Y）的扫描区。此FV数据集是偏转与位移曲线上的x-y平面（样品表面）的三维阵列。力曲线的收集是通过移动垂直压电直到悬臂偏转达到触发值。力曲线的接近部分终止在这一点上，与AFM针尖后退到预定的距离（在z扫描尺寸）。在样品的二维（X-Y）扫描每个点重复进行这一过程。 FV测量在32微米×32微米，间隔2微米（总计256点）的的区域内进行。进针和退针曲线均被记录。在每个点力曲线是1000次进针和退针曲线的平均水平。在0.1mM，pH7.4的NaOH维持NaCl的溶液的收集FV数据集。在力曲线中，x轴对应于悬臂和样品表面之间的高度，并且y轴对应于悬臂的偏转。该曲线被分成三个区域（图2）。C区域对应最初的悬臂运动，那里没有表面和针尖的相互作用。尖端更接近表面，长程静电相互作用引起的尖端（区域B）的偏转。由于表面电荷被反荷离子在含水条件下的吸附中和，AFM测定的力，基本上是针尖的反离子和样品表面之间的静电相互作用。悬臂进一步向下移动，最终尖端与样品表面接触，并且尖端与样本的压缩引起了尖端（区域A）的进一步的偏转。