用于生物医学应用的超疏水聚合物材料的制备

摘要

通过静电纺丝或电喷雾技术，将可生物降解聚合物与具有相似组成的低表面能聚合物共混，制备出二维和三维超疏水聚合物材料。

摘要

具有永久或亚稳态非润湿表面的超疏水材料在生物医学和工业应用中备受关注。本文描述了如何通过静电纺丝或静电喷雾技术制备一种超疏水生物材料：以可生物降解、生物相容的脂肪族聚酯（例如，聚己内酯和聚（乳酸-共-乙醇酸））为主要组分，掺杂由该聚酯与硬脂酸盐改性的聚甘油碳酸酯组成的疏水性共聚物。静电纺丝或静电喷雾工艺可在纤维或颗粒的表面及内部形成增强的表面粗糙度和孔隙结构。采用一种低表面能的共聚物掺杂剂，该掺杂剂可与聚酯均匀混合并能稳定地进行静电纺丝或静电喷雾，从而获得此类超疏水材料。文中讨论了纤维尺寸、共聚物掺杂剂的组成和/或浓度等关键参数及其对润湿性的影响。这种聚合物化学与过程工程的结合，为利用可放大的技术开发面向特定应用的材料提供了一种通用策略，且该方法有望推广至更广泛的聚合物体系，适用于多种应用场景。

引言

超疏水表面通常被定义为具有大于150°的表观水接触角，并表现出低接触角滞后现象。这类表面通过在低表面能材料上引入高表面粗糙度而制备，从而形成气-液-固界面，以抵抗润湿^1-6。根据制备方法的不同，可制备出单层或多层超疏水表面、多层超疏水基底涂层，甚至整体式超疏水结构。这种永久性或半永久性的防水性能是一种有用的特性，可用于制备自清洁表面⁷、微流控装置⁸、抗污损细胞/蛋白质表面^9,10、减阻表面¹¹以及药物递送装置^12-15。近年来，已有研究报道了具有刺激响应性的超疏水材料，其非润湿状态向润湿状态的转变可由化学、物理或环境信号触发（例如，光、pH、温度、超声波以及外加电势/电流）^14,16-20，这些材料正被应用于更多新兴领域^21-25。

最早的合成超疏水表面是通过用甲基二卤代硅烷处理材料表面制备而成的²⁶，且在生物医学应用中价值有限，因为所使用的材料并不适合 体内 在此，我们描述了由生物相容性聚合物制备表面和整体超疏水材料的方法。该方法包括通过静电纺丝或电喷雾技术，将一种以可生物降解、生物相容性脂肪族聚酯为主要组分的聚合物混合物进行加工，并掺杂由该聚酯与硬脂酸盐修饰的聚（甘油碳酸酯）组成的疏水性共聚物。^27-30制造技术分别在纤....

方案

1. 合成可功能化的聚(1,3-甘油碳酸酯-共聚-己内酯)²⁹ 和聚(1,3-甘油碳酸酯-共聚-丙交酯)^27,28。

1. 单体合成。
   1. 溶解 顺式-2-苯基-1,3-二氧六环-5-醇（50 g，0.28 mol，1 当量）溶于 500 ml 干燥四氢呋喃（THF）中，在氮气保护下冰浴搅拌。加入经研钵研细的氢氧化钾（33.5 g，0.84 mol，3 当量）。将反应瓶置于冰浴中。
   2. 在冰浴中搅拌下，将49.6 ml苯甲基溴（71.32 g，0.42 mol，1.5当量）逐滴加入。在氮气氛围下，继续搅拌使反应液缓慢升至室温，并在室温下反应24小时。
   3. 加入150 ml蒸馏水溶解氢氧化钾，并通过旋转蒸发去除四氢呋喃。
   4. 在1 L分液漏斗中，用200 ml二氯甲烷（DCM）萃取剩余物质，重复萃取两次。
   5. 用硫酸钠干燥有机相。
   6. 向溶液中加入600 ml无水乙醇，充分混匀，于-20 °C下静置过夜，使产物结晶。产物可在-20 °C下保存数天后再进行后续步骤。
   7. 通过布氏漏斗减压过滤分离产物，并在高真空下干燥。产物可在进行后续步骤前储存数天。此步骤的典型产率约为80%。
   8. 在1 L圆底烧瓶中，将步骤1.1.7中获得的产物悬浮于甲醇（300 ml）中，加入150 ml ....

结果

通过一系列化学转化，功能性碳酸酯单体5-苄氧基-1,3-二氧六环-2-酮被合成为白色结晶固体（图1A）。¹H NMR确认了其结构（图1B），质谱和元素分析则验证了其组成。该固体随后在140 °C下通过锡催化开环反应与D,L-丙交酯或ε-己内酯共聚。经沉淀法纯化后，通过¹H NMR分析，对4.58–4.68 ppm处的苄基质子化学位移以及己内酯的特征亚甲基峰或丙交酯的次甲基峰（分别为2.3 ppm或5.2 ppm）进行积分，以确定聚合物的组成。通过Pd/C催化的氢解反应可选择性地去除苄基保护基团。通过观察¹H NMR谱图中苄基峰的消失，确认保护基已完全脱除。随后将硬脂酸接枝到游离的羟基上，使最终的共聚物具有疏水性。这些共聚物在室温下为白色固体（图1C），可加工成薄膜、电纺纤维膜以及电喷涂层（图1D）。

共聚物组成（即，通过调节相应的单体投料比来调控丙.......

讨论

我们利用生物医学聚合物构建超疏水材料的方法，结合了合成聚合物化学与静电纺丝和电喷雾这两种聚合物加工技术。这些技术分别可制备出纤维或颗粒。具体而言，本方法用于制备基于聚己内酯和聚（乳酸-共-乙醇酸）的超疏水材料。通过调节疏水性共聚物的组成、共聚物在最终聚合物共混物中的百分比、纤维/颗粒尺寸、聚合物总体质量百分比以及制备条件，可调控所得静电纺丝/电喷雾材料的润湿性。本研究所制备的材料由无毒且生物相容性的聚合物构成，在接触水时具有亚稳定的空气屏障。

本方案中的关键步骤包括：1）通过开环聚合反应合成共聚物；2）将这些共聚物与PCL或PLGA等相应的生物医学聚合物进行静电纺丝或电喷雾处理；以及3）表征其形貌、不润湿性/疏水性、力学性能以及体外/in vitro和体内/in vivo生物相容性。如果在聚合物合成、修饰和/或静电纺丝过程中遇到困难，以下技术将有助于识别并解决这些问题。

确保单体的纯度至关重要，需避免其含有痕量水分（例如来自空气中的水分）。水的存在可能会阻止或终止聚合反应，.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
硅油	Sigma-Aldrich	85409
顺-2-苯基-1,3-二氧六环-5-醇	Sigma-Aldrich	13468
苄基溴	Sigma-Aldrich	B17905	有毒，具刺激性/对眼睛有刺激作用，需在化学通风橱中使用
氢氧化钾	Sigma-Aldrich	221473	腐蚀性
旋转蒸发仪	Buchi	R-124
高真空泵	Welch	8907
氮气，超高纯度	Airgas	NI UHP300	压缩气体
四氢呋喃，以BHT稳定	Pharmaco-Aaper	346000	易燃。通过XXX柱干燥
二氯甲烷	Pharmaco-Aaper	313000	易燃，有毒。
分液漏斗（1 L）	Fisher Scientific	13-678-606
硫酸钠	Sigma-Aldrich	239313
乙醇，绝对	Pharmaco-Aaper	111USP200	易燃，有毒。
布氏漏斗	Fisher Scientific	FB-966-F
甲醇	Pharmaco-Aaper	339000ACS	易燃，有毒。
盐酸	Sigma-Aldrich	320331	腐蚀性。用蒸馏水稀释至2N。
氯甲酸乙酯，97%	Sigma-Aldrich	185892	有毒、易燃、对环境有害
三乙胺（无水）	Sigma-Aldrich	471283	有毒、易燃、对环境有害
乙醚	Pharmaco-Aaper	373ANHACS	高度易燃。通过XXX柱纯化。
3,6-二甲基-1,4-二氧六环-2,5-二酮（D,L-丙交酯）	Sigma-Aldrich	303143
辛酸亚锡	Sigma-Aldrich	S3252	有毒的。
εε-己内酯（97%）	Sigma-Aldrich	704067
甲苯，无水	Sigma-Aldrich	244511	易燃，有毒。
玻璃注射器	Hamilton公司	1700系列
氘代氯仿	剑桥同位素实验室公司	DLM-29-10	有毒的
核磁共振仪	Varian	V400
碳载钯催化剂	Strem Chemicals, Inc.	46-1707
加氢装置	帕尔	3911
氢化反应摇床容器	帕尔	66CA
氢	Airgas	HY HP300	高度易燃。
硅藻土	Sigma-Aldrich	22140
2H,2H,3H,3H-全氟壬酸	Oakwood Products, Inc.	10519	有毒的。
硬脂酸	Sigma-Aldrich	S4751
N,N’二环己基碳二亚胺	Sigma-Aldrich	D80002	有毒，刺激性。
4-(二甲氨基)吡啶	Sigma-Aldrich	107700	有毒的。
己烷	Pharmaco-Aaper	359000ACS	有毒，易燃。
凝胶渗透色谱（GPC）系统	Rainin
GPC 柱	Waters	WAT044228
差示扫描量热仪	TA Instruments	Q100
氯仿	Pharmaco-Aaper	309000ACS	有毒的。
N,N-二甲基甲酰胺	Sigma-Aldrich	227056	有毒，易燃。
聚己内酯，分子量 70-90 kg/mol	Sigma-Aldrich	440744
聚（乳酸-共-乙醇酸），分子量 136 kg/mol	Evonik Industries	LP-712
10 ml 玻璃注射器	Hamilton Company	81620
18号钝头针	BRICO 医疗用品	BN1815
电纺丝装置封闭箱	定制构建	N/A	由丙烯酸板制成
高压直流电源	Glassman High Voltage, Inc.	PS/EL30R01.5	高电压，触电危险
线性（平移）平台	Servo Systems 公司	LPS-12-20-0.2	可选
可编程电机 &和电源供应	Intelligent Motion Systems, Inc.	MDrive23 Plus	可选
24V 直流电机 &和电源供应	McMaster-Carr	6331K32	可选
铝制集电鼓	定制构建		可选
注射泵	Fisher Scientific	78-0100I
倒置光学显微镜	奥林巴斯	IX70
扫描电子显微镜	卡尔·蔡司	Supra V55
导电铜箔胶带	3M	16072
铝制扫描电镜样品台	电子显微镜科学公司	75200
接触角测量仪	Kruss	DSA100
丙二醇	Sigma-Aldrich	W294004	有毒。
乙二醇	Sigma-Aldrich	324558	有毒的。
碘克沙酸	Guerbet
胎牛血清	美国典型培养物保藏中心	30-2020
微型计算机断层扫描仪	Scanco
图像分析软件（Analyze）	梅奥诊所
拉伸试验机	Instron	5848
微米器	Multitoyo	293-340
游标卡尺	Fisher Scientific	14-648-17