聚乙二醇在聚砜膜上的接枝与表征

生物医学工程学杂志2006;23(2) : 370~374J Biomed Eng聚乙二醇在聚砜膜.上的接枝与表征孙璐’孙树东|4谢虹2黄小华|乐以伦I1 (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 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,一旦蛋白质的构象发生变化还会1引言诱发血液系统凝固和免疫系统活化等-系列有害结聚砜(Polysulfone,PSF)作为血浆分离的膜材果[~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中国煤化工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。THCNMHG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,X能便具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一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) 的研究已广万方数搞泛开展,并有许多文献和专利发表。90 年代发现单△通讯作者。E-mail :sunshudong@ tom. net层PEG刷抗蛋白质污染的能力远比一般多层涂层第2期孙璐等。聚乙二醇在聚砜膜上的接枝与表征.37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3 h刷的报道[5~7]。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100 μl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,从消除材料一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。3 h然后浸泡过夜,再用超纯水超声清洗数次后,彻底冲洗,40C干燥,室温保存在干燥器中。(2) PEG2材料与方法在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 EDC/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2 h。再加入MPEG-NH2,0~(Mn = 4448, 4-Azidobenzoylimino monomethoxy-4C条件下搅拌反应4 h后,从冰水浴中取出,室温poly (ethylene glycol), ABIMPEG)、0)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(w-Amino- monomethoxy- poly (ethylene3 h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[8]; PSF将所有膜片均在40C干燥,并在室温下保存在干燥(密度1.24 g/cm3 ,Mn= 30 600,Mw=57 600),德器中。国BASF公司;紫外灯(125W ,入mx = 365nm),上海3结果与讨论亚明灯泡厂.;AS2060超声波清洗器，奥特塞恩斯仪器有限公司;XLB-D400402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-800 X- 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 μl蒸馏水作为-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。2.2.1 PSF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2.2.2 PEG 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μl ABIMPEG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40C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5 min,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. 2.3 PEG在PSF膜上的二步法光接枝 (1)枝1中国煤化工度为3 mg/cm',N2保护PSF膜表面羧基的引入通过两种方法进行:①将下MYHCN M H G态条件下紫外辐照的时100μl0.1mol/L的对叠氮苯甲酸NaOH溶液均匀间为50 min涂布于PSF膜片上,放入真空烘箱40C避光孵化数3.1.2二步法接枝在 PSF膜表面接枝了MPEG小时,取出用100 μl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),但提高程度不及紫外灯辐照数贫毽。接枝后的膜片放入三重蒸馏水同步法,这主要是二步法固定的PEG量相对较少。中震荡清洗3 h后,加入0. 4 mol/L稀盐酸10 ml,同时可以看到,当用乙醇作接枝对叠氮苯甲酸的溶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80]会与乙醇发生反应而被消耗,所以材料表面的接触75 10+角基本没有改变,未能达到表面改性的目的。旦65+言60}表1二步法接接上MPEG后PSF膜的接触角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图1ABIMPEG浓度对改性的聚砜片的接触角的影响simultaneousFig 1 Effect of ABIMPEG concentration for graft modification on3.2XPS分析contact angles of modified PSF sheets对MPEG、PSF膜、接有对叠氮苯甲酸的PSF751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g65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60道的方法和数据。从元素分析结果表(见表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,O/C提高,氧的比重明显增加,N元素出图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)表2MPEG和PSF表面接枝前后的XPS元素分析结果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; ❷一●1Grafting PMEG on PSF membrane sequentially从C1。分谱拟和表(见表3)中可以看到:(1)用同步法PSF表面的C.主峰(C=C, 284.7 eV)明显450102030405060降中国煤化工55.2%)，而C-0的峰Time(min)0HCN MHG7%增加到37.6%),这是醚链入重5八时结禾;问时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C1s主峰Fig 3 Effect of UV radiation time on contact angles of ABIMPEG-(C=C，284.7 eV)明显降低(从76.6%下降到graftc万府数榍s by simultaneous pathway(State of grafting: 1.Dry; 2. Wet)57.0%),而C-O的峰(286.5eV)明显增加(从第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。257.541表3 MPEG和PSF表面接枝前后XPS的Cls分析结果: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)本文采用理论计算的方法,结合XPS的相关数图4同步法接 上MPEG的聚砜膜片据得到PSF表面MPEG接枝覆盖率的近似值。从(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C、O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15.2被MPEG接枝覆盖率为m,则根据表2中的数据，士，X1.1570.362 1.102171接枝XPS测得的O/C一即(每 单位面积上的O含量)/(每单位面积上的C含量)为:O_ 0. 29m+0. 174(1- m)0.71m+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%。3.3 AFM 分析图5二步法接上MPEG的聚砜膜片图4和图5分别表示了同步法和二步法接枝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验成功地在PSF膜表面接枝了PEG。从它们的高度中国煤化工图和三维图可以看到表面出现圆形的突起,但突起MHCN MH G法接枝的PEG平均高的大小并不一致。对这-点可以做出的合理解释是:度和苋度分别为40nm相120nm;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10nm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)。完全伸展的度位置时牢们的体积就相应地被放大或缩小。显PEG5000链的长度约为41 nm,而其在水中的几何然,处于高峰上的突起被放大而处于低谷处的突起半径为4.6 nm[12]。将这两组数据对比可以发现,每374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1 SunS, YueY，Huang X, et al, Protein adsorption on blood-contact membranes. J Membr Sci, 2003; 222 (1~2): 3饼状(Pan- cake)覆盖在PSF的表面012]。通过对比均方根面粗糙度(RMS)发现: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(对比)试样大,同时二步hydrophilicity increasing agents. J Membr Sei, 1991; 60: 275法接枝的膜片反而变得更光滑。这是因为同步法在3 Nilsson JL. 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 : 121面的C-H之间,还可以插入到先接枝在PSF表面的4 Brink LES， Romijn DJ. Reducing the protein fouling ofpolysulfonesurfacesandpolysulfone ultrafiltrationPEG链的C-H之间,产生了带分支的PEG层。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.结论1993; 4(4) : 3817 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.8 Sun L. 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. .Master thesis ，Sichuan University, Chengdu: 2003:28-29[孙效果的影响;并确定了接枝工艺。并首次采用以对叠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) Johmson RN, Farnham AG, Clendinning RA, et al. Poly (ary!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.0 Beamson G，Briggs D. High resolution XPS of organicpolymers. The Scienta ESCA300 database, 199277.3%和41.9%,表面形貌、相位图等参数较接枝i 1 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-研究为2 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 glass substitutes:diffusion and adsorption. Langmiur, 1999; 15. 8405层提供了实验依据。但是在PSF表面接枝的PEG(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。中国煤化工MYHCNMH G