基于超支化聚酰胺胺电刺激响应性生物材料的设计合成及应用

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中文摘要：在高分子领域，超支化聚酰胺胺因其独特的结构和性能备受关注。它是介于线性聚合物和树枝状聚合物之间的高度支化聚合物，具有独特的物理和化学性质，如大量的分子内空腔、大量末端基团、高溶解性、生物相容性、低粘度和无结晶等。与线性聚合物相比，超支化聚酰胺胺的性质更接近树枝状聚合物，但制备方法更简单。30年来，超支化聚酰胺胺在合成、结构表征和功能化改性等方面取得了重要进展。目前，基于超支化聚酰胺胺生物材料的合成方法已趋向全面和成熟，为实际应用开发奠定了基础。然而，仍有许多问题有待解决。例如：在后新冠病毒疫情时代,抗菌材料的研究与应用受到了各领域的高度重视。常规超支化聚酰胺胺生物材料虽具有良好的生物相容性，却对霉菌、细菌、病毒等微生物没有抵御能力。在药物/纳米离子递送领域，超支化聚酰胺胺具有众多的空腔使其成为良好的纳米/药物载体，但是仍无法达到精确的、按需的、可控的释放等等。因此，本论文基于超支化聚酰胺胺，通过引入功能性紫精单体，设计合成了一系列电刺激响应性生物材料，该系列材料在保持生物相容性的同时还具有优异的抗菌能力、电化学性能，电致变色/电控荧光性能。经材料设计，超支化聚酰胺胺生物材料具有良好的对药物释放含量和释放时间的可控性。本论文主要包含以下三部分内容： (1)通过聚合物设计与合成技术，采用了Michael加成一步法和后修饰策略，成功制备了两种具有电活性的超支化聚酰胺胺生物材料。首先，在较温和的条件下，N,N''-亚甲基双丙烯酰胺和1,1''-双(3-氨基丙基)-4,4''-联吡啶双(溴盐)在甲醇/水混合物中通过Michael加成聚合反应，合成了一种电活性超支化聚酰胺胺生物材料。由于多功能紫精基团的存在，电活性的超支化聚酰胺胺在低电压下(-1.2~0V)表现出较高的电活性、优异的电致变色和电控荧光性能。利用该生物材料制备了具有可逆颜色变化和可控的荧光转换特性的双模水相器件。最后，对电活性超支化聚酰胺胺生物材料的抗菌性和生物相容性进行探索，证明该材料保持生物相容性的同时具备优异的抗菌能力。其次，通过结合Michael加成反应与末端修饰策略，设计并合成了一种新型的多功能超支化聚酰胺胺材料。该聚合物中嵌入了具有电活性的紫精单元并在末端使用疏水性的金刚烷单元进行封端。利用叔胺、金刚烷和紫精作为功能单元，构建出了一种能够智能响应外界刺激的聚合物。这些功能单元赋予了聚合物对pH值、温度和电势变化的敏感性，使其具备了颜色变化和荧光变化的多重响应能力。这些多重响应性能主要通过聚合物骨架的构象变化、在不同条件下的可逆聚集与解聚行为，以及分子结构的适时调整来实现。 (2)从设计多功能生物材料的角度出发，制备了一系列以电活性超支化聚酰胺胺(EHP)为交联中心的EHP/PAM水凝胶。该水凝胶的独特结构使其具有良好的机械性能，包括：高拉伸强度、理想的拉伸性(高达1280%)和黏附稳定性等。紫精阳离子赋予材料具有抗菌能力和良好的离子电导率、紫精的可逆氧化还原赋予材料电致变色/电控荧光性能。同时，该材料的生物相容性与紫精季铵盐的存在使该水凝胶材料具有成为可穿戴应变传感器的潜力，经实验证明，该水凝胶在1-1000%的应变范围内具有优异的可重复性、灵敏性，易于粘附在人体皮肤上，进而可靠、精确地检测人体运动。在外加电场下，紫精的氧化还原结构变化赋予材料精准电控药物释放能力。在-1.2V的低电压下，该水凝胶的药物释放效率为81.6%。此外，由于在酸性和碱性环境中EHP的构象转变，该材料也表现出了pH刺激药物释放行为。这种具有pH/电双刺激药物释放特性和可穿戴应变传感能力的生物材料为个性化健康诊断和治疗提供了新的途径。该材料有望为穿戴者提供即时的健康状态反馈，还能实现精准药物释放和可视化监测，为患者提供更加便捷、有效的健康管理方案。 (3)从“更便携、更智能、更高效”的理念出发，进一步优化了电活性超支化聚酰胺胺水凝胶生物材料。通过苯硼酸和聚乙烯醇的引入产生大量的氢键、离子键和动态共价键作用位点，实现了增韧效果，增加材料的循环使用寿命，使水凝胶材料具有更优异的力学性能。同时，该水凝胶还具备可调节的离子导电性能和电致变色性能，优良的生物相容性和抗菌能力。结合紫精独特的结构特点和超支化聚酰胺胺本身优异的药物封装能力，将水凝胶设计成为具有电活性的药物储存库，可同时存储两种药物：地塞米松(Dex:一种抗炎和抗过敏药物)以及单宁酸(Ta:一种抗氧化和促细胞凋亡药物)。进一步将水凝胶设计成为柔性可穿戴生物贴片的阴极，镁片为阳极，PVA/PBS水凝胶为电解质，PET/ITO则作为集流体进行层层组装，制备了一体化、可视化、便捷的可穿戴药物释放系统生物贴片。该生物贴片具有稳定且超长的药物控释行为的同时，可以通过可视化窗口监测药物释放状态。通过银屑病小鼠模型实验，比较了双药可穿戴生物贴片与两种单药控释生物贴片的性能。经过5天的治疗对比，证明了双药贴片克服了单一药物治疗的局限性，为银屑病治疗起到更优的效果。综上所述，利用超支化聚酰胺胺的可修饰性，设计合成了两种新型的电活性聚合物。这两种聚合物均具备优异的可视化能力，其中第二种聚合物实现了多刺激响应性，这为生物医疗领域带来了新型的电活性生物材料。通过材料设计，制备出了一种具备多功能的水凝胶材料。这种水凝胶材料不仅具有高度的生物相容性和可调节性，还能够在治疗过程中实现药物的精准定位和控制释放，为个性化医疗设备的研发提供了强有力的材料基础。最后，结合实际的临床需求，设计并制备了一款便携式、智能化程度高、效率优异的药物释放贴片。该药物释放贴片不仅方便使用，而且可以实现药物释放的实时监测和精准控制，为生物材料在这两方面的研究提供了新的思路和方法。这些创新性的研究成果不仅拓展了电活性生物材料的应用领域，还为高性能、多功能的个性化医疗设备提供了重要的材料支撑，具有广阔的发展前景和实用价值。

作者：

赵嘉欣

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关键词：

超支化聚酰胺胺生物材料多功能导电水凝胶个性化治疗力学性能

授予学位：

博士

学科专业：

高分子化学与物理

导师：

晁单明

学位年度：

2024

学位授予单位：

吉林大学

语种：

中文

中图分类号：