生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志2006;23(2) : 370~374J Biomed Eng聚乙二醇在聚砜膜.上的接枝與表征孫璐’孫樹(shù)東|4謝虹2黃小華|樂(lè)以倫I1 (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(guò)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(shuō)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 SheetsSun Lu' Sun Shudong' Xie Hong2 Huang Xiaohua' Yue Yilun'1(Department of Biomedical Polymers and Artificial Organs, College of Polymer Science and Engineering.Sichuan University, Chengdu 610065 ,China)2(Department of Electronic and Information Engineering, Chengdu University, Chengdu 610106,China)Abstract Grafting of poly (ethylene glycol) (PEG) on the surface of polysulfone (PSF ) sheets bysimultaneous or sequential UV irradiation with 4-azidobenzoic acid as the photocoupler was carried out. Watercontact angle measurements showed that there was a great improvement of hydrophilicity on the grafted surface.X-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 pathways.Evidences 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 membranes.Key words Polysulfone sheetPoly (ethylene glycol) (PEG)4-azidobenzoic acid UV-irradiationgraftAtomic force microscope (AFM)率下降30%以上,一旦蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生變化還會(huì)1引言誘發(fā)血液系統(tǒng)凝固和免疫系統(tǒng)活化等-系列有害結(jié)聚砜(Polysulfone,PSF)作為血漿分離的膜材果[~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)械方中國(guó)煤化工對(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。THCNMHG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,X能便具具有必需的表面性能,達(dá)到功能過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的膜污染問(wèn)題一主要是蛋白質(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) 的研究已廣萬(wàn)方數(shù)搞泛開(kāi)展,并有許多文獻(xiàn)和專利發(fā)表。90 年代發(fā)現(xiàn)單△通訊作者。E-mail :sunshudong@ tom. net層PEG刷抗蛋白質(zhì)污染的能力遠(yuǎn)比一般多層涂層第2期孫璐等。聚乙二醇在聚砜膜上的接枝與表征.37效果好,但還沒(méi)有在PSF中空纖維膜上形成聚合物震蕩過(guò)夜。 取出膜片,用三重蒸餾水震蕩清洗3 h刷的報(bào)道[5~7]。本文采用紫外輻照法,以光活性分子后,浸泡過(guò)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100 μl聯(lián)分子,通過(guò)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),從消除材料一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(wú)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)。3 h然后浸泡過(guò)夜,再用超純水超聲清洗數(shù)次后,徹底沖洗,40C干燥,室溫保存在干燥器中。(2) PEG2材料與方法在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 EDC/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2 h。再加入MPEG-NH2,0~(Mn = 4448, 4-Azidobenzoylimino monomethoxy-4C條件下攪拌反應(yīng)4 h后,從冰水浴中取出,室溫poly (ethylene glycol), ABIMPEG)、0)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(w-Amino- monomethoxy- poly (ethylene3 h后浸泡過(guò)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[8]; PSF將所有膜片均在40C干燥,并在室溫下保存在干燥(密度1.24 g/cm3 ,Mn= 30 600,Mw=57 600),德器中。國(guó)BASF公司;紫外燈(125W ,入mx = 365nm),上海3結(jié)果與討論亞明燈泡廠.;AS2060超聲波清洗器，奧特塞恩斯儀器有限公司;XLB-D400402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-800 X- 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 μl蒸餾水作為-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。2.2.1 PSF膜的制作 按文獻(xiàn)[9]的方法,通過(guò)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2.2.2 PEG 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μl ABIMPEG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40C真空烘箱,避光孵化數(shù)小時(shí)后取出,然后紫外燈線開(kāi)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(guò)夜,再用去離(見(jiàn)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5 min,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. 2.3 PEG在PSF膜上的二步法光接枝 (1)枝1中國(guó)煤化工度為3 mg/cm',N2保護(hù)PSF膜表面羧基的引入通過(guò)兩種方法進(jìn)行:①將下MYHCN M H G態(tài)條件下紫外輻照的時(shí)100μl0.1mol/L的對(duì)疊氮苯甲酸NaOH溶液均勻間為50 min涂布于PSF膜片上,放入真空烘箱40C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),取出用100 μl三重蒸餾水潤(rùn)濕表面,然后在后,表面親水性明顯提高(見(jiàn)表1),但提高程度不及紫外燈輻照數(shù)貧毽。接枝后的膜片放入三重蒸餾水同步法,這主要是二步法固定的PEG量相對(duì)較少。中震蕩清洗3 h后,加入0. 4 mol/L稀鹽酸10 ml,同時(shí)可以看到,當(dāng)用乙醇作接枝對(duì)疊氮苯甲酸的溶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80]會(huì)與乙醇發(fā)生反應(yīng)而被消耗,所以材料表面的接觸75 10+角基本沒(méi)有改變,未能達(dá)到表面改性的目的。旦65+言60}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 sequential0{pathway5+AzBA- PSF AzBA-PSFContact-MPEGRPESE MPEG+ AzBA-0-angle(EtOH Sol)(H2O)PSFABIMPEG conceatration(mg/cm)Degrees 75. 1士2.9 73. 1士2.663.2士3.2 52. 5士2.8MPEG + AzBA-PSF sequential; * * AzBA _PSF -MPEG圖1ABIMPEG濃度對(duì)改性的聚砜片的接觸角的影響simultaneousFig 1 Effect of ABIMPEG concentration for graft modification on3.2XPS分析contact angles of modified PSF sheets對(duì)MPEG、PSF膜、接有對(duì)疊氮苯甲酸的PSF751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g65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)60道的方法和數(shù)據(jù)。從元素分析結(jié)果表(見(jiàn)表2)中可以看到:(1)采50用同步法在PSF表面接上PEG后,0/C大大提高，45-0246810121416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,O/C提高,氧的比重明顯增加,N元素出圖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(wú)N2保護(hù)40C;2.有N2保護(hù)40C)表2MPEG和PSF表面接枝前后的XPS元素分析結(jié)果Fig 2 Effect of incubation time on contact angles of ABIMPEGTable 2 XPS Element Contents of MPEG, PSF and MPEG graftedgrafted PSF sheetsSFs(Conditions of incubation: 1. Unprotected at 40C; 2. Protectedwith Ngat 40C)Element, mole fraction(%)SamplesS2P80.9 17. 4.70. 22MPEG71.0 29. 000.41富70MPEG- PSFD72.6 25.9 0. 60.9 0. 3665MPEG- PSF②73.421.80.8.4.00. 29①Grafting PMEG on PSF membrane simultaneously; ?一●1Grafting PMEG on PSF membrane sequentially從C1。分譜擬和表(見(jiàn)表3)中可以看到:(1)用同步法PSF表面的C.主峰(C=C, 284.7 eV)明顯450102030405060降中國(guó)煤化工55.2%)，而C-0的峰Time(min)0HCN MHG7%增加到37.6%),這是醚鏈入重5八時(shí)結(jié)禾;問(wèn)時(shí)CONH-出現(xiàn)，這都說(shuō)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(guò)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C1s主峰Fig 3 Effect of UV radiation time on contact angles of ABIMPEG-(C=C，284.7 eV)明顯降低(從76.6%下降到graftc萬(wàn)府?dāng)?shù)榍s by simultaneous pathway(State of grafting: 1.Dry; 2. Wet)57.0%),而C-O的峰(286.5eV)明顯增加(從第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(shuō)明我們已經(jīng)通過(guò)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(méi)有與MPEG-NH2反應(yīng)所造成。257.541表3 MPEG和PSF表面接枝前后XPS的Cls分析結(jié)果:Table 3 XPS CIs Curve Fittings of MPEG, PSF andMPEG- grafted PSFs(a)CIs Peak, mol fraction(%)SampleC=C CC C-S C-O (C-N) CONH- ( COO-)MPEG23. 176.9PSF76.69.7 13. 7-PSF-MPEGD 55.2 5.9 37.6PSF-MPEG@ 57.0 5.8 25.711.5.①Grafting PMEG on PSF membrane simultaneously;②GraftingPMEG on PSF membrane sequentially(b)(c)本文采用理論計(jì)算的方法,結(jié)合XPS的相關(guān)數(shù)圖4同步法接 上MPEG的聚砜膜片據(jù)得到PSF表面MPEG接枝覆蓋率的近似值。從(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C、O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15.2被MPEG接枝覆蓋率為m,則根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，士，X1.1570.362 1.102171接枝XPS測(cè)得的O/C一即(每 單位面積上的O含量)/(每單位面積上的C含量)為:O_ 0. 29m+0. 174(1- m)0.71m+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%。3.3 AFM 分析圖5二步法接上MPEG的聚砜膜片圖4和圖5分別表示了同步法和二步法接枝Fig 5 Graft MPEG on PSF sheets sequentiallyPEG的PSF膜片。從相圖的明顯變化可以說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)成功地在PSF膜表面接枝了PEG。從它們的高度中國(guó)煤化工圖和三維圖可以看到表面出現(xiàn)圓形的突起,但突起MHCN MH G法接枝的PEG平均高的大小并不一致。對(duì)這-點(diǎn)可以做出的合理解釋是:度和莧度分別為40nm相120nm;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10nm和70nm(由于各突起間是連續(xù)的,所低,當(dāng)這些本來(lái)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)。完全伸展的度位置時(shí)牢們的體積就相應(yīng)地被放大或縮小。顯PEG5000鏈的長(zhǎng)度約為41 nm,而其在水中的幾何然,處于高峰上的突起被放大而處于低谷處的突起半徑為4.6 nm[12]。將這兩組數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),每374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1 SunS, YueY，Huang X, et al, Protein adsorption on blood-contact membranes. J Membr Sci, 2003; 222 (1~2): 3餅狀(Pan- cake)覆蓋在PSF的表面012]。通過(guò)對(duì)比均方根面粗糙度(RMS)發(fā)現(xiàn):同步法2 Nysreom M， Jarvinen P. Modifcation of polysulfoneultrafiltration membranes with UV irradiation and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 Sei, 1991; 60: 275法接枝的膜片反而變得更光滑。這是因?yàn)橥椒ㄔ? Nilsson JL. 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 : 121面的C-H之間,還可以插入到先接枝在PSF表面的4 Brink LES， Romijn DJ. Reducing the protein fouling ofpolysulfonesurfacesandpolysulfone ultrafiltrationPEG鏈的C-H之間,產(chǎn)生了帶分支的PEG層。所以membranes: 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,甚至比基材更光滑。6 Llanos GR，Sefton MV. Review: does polyethylene oxidepossess a low thrombogenicity? J Biomater Sci Polymer Edn,4.結(jié)論1993; 4(4) : 3817 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.8 Sun L. 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. .Master thesis ，Sichuan University, Chengdu: 2003:28-29[孫效果的影響;并確定了接枝工藝。并首次采用以對(duì)疊氮苯酸為光偶合分子的二步法光接枝。通過(guò)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) Johmson RN, Farnham AG, Clendinning RA, et al. Poly (ary!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.0 Beamson G，Briggs D. High resolution XPS of organicpolymers. The Scienta ESCA300 database, 199277.3%和41.9%,表面形貌、相位圖等參數(shù)較接枝i 1 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(shuō)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-研究為2 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 glass substitutes:diffusion and adsorption. Langmiur, 1999; 15. 8405層提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。但是在PSF表面接枝的PEG(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。中國(guó)煤化工MYHCNMH G