新型纤维素阳离子聚电解质的均相合成及其生物医用材料

阳离子纤维素醚是阳离子高聚物家族中最重要的精细化工原料，由于其良好的亲水性、生物相容性、生物可降解性和成膜性，在生物医用材料领域也很有应用前景。本项目拟以我们创建的氢氧化钠/尿素水体系以及新的反应介质，直接由纤维素通过均相季铵化反应制备微观结构均一的新型阳离子聚电解质；通过动/静态光散射、流变仪等研究纤维素阳离子衍生物的溶液性质，弄清其分子量、链构象参数、聚电解质行为和流变行为；通过离子交联制备pH和离子双重响应的纤维素聚阳离子凝胶纳米粒子，考察它们对蛋白类药物的负载和释放；研究纤维素阳离子衍生物在基因传递载体方面的应用，弄清衍生物取代基、取代度和分子量等对转染效率和细胞毒性的影响，揭示载体结构与转染效率、细胞毒性的构效关系。本项目不仅为纤维素衍生物的合成提供新的途径，并可以开发新型生物医用功能材料。

本项目以碱/尿素溶液作为反应介质，均相合成一系列新型纤维素阳离子聚电解质，开发其在药物载体、生物材料、催化以及蛋白质分离等方面的应用。项目的主要进展和研究成果包括：1）纤维素聚电解质的合成与表征：以NaOH/尿素和LiOH/尿素体系作为反应介质，均相合成纤维素季铵盐（QC）、羟乙基纤维素季铵盐（QHEC）、疏水改性纤维素季铵盐（HMQC）、丙烯酰胺改性纤维素聚电解质（AMC）和两性聚电解质（CEQC），并对其结构和理化性质进行系统表征。2）新型药物载体和生物材料：a）首次研究QC和QHEC在基因转染方面的应用。二者细胞毒性小，可有效复合DNA，在血清存在的情况下仍表现出很高的转染效率，是安全、高效的非病毒基因转染载体。b）以β-甘油磷酸钠作QC的氢键和离子交联剂制备生物相容的快速固化水凝胶，并阐明其热致凝胶化行为和机理。c）通过自组装制备HMQC纳米胶束，并用于装载小分子疏水药物。HMQC胶束对醋酸泼尼松具有较高的负载率以及良好的缓释行为。d）通过静电纺丝制备具有高抑菌活性的阳离子纤维素纳米纤维膜，可望用作伤口辅料。3）纤维素聚电解质负载贵金属纳米粒子：以QC作为稳定剂制备Ag和Au纳米粒子，并以催化硝基苯酚（Nip）的还原考察其活性。研究表明，所合成的纳米粒子粒径均一、易于再分散，且具有很高的催化活性。QC对于纳米粒子的稳定和催化性能提高具有重要作用。此外，以CEQC作为稳定剂制备单分散的Au纳米粒子，CEQC-QC溶液可用于半胱氨酸和Hg(II)的选择性检测，并显示很高的灵敏度。4）在蛋白质分离与电化学传感器方面的应用：首次以QC和HMQC作为毛细管动态涂层分离碱性蛋白质，极低浓度的阳离子聚电解质（3μg/mL）就能逆转毛细管内表面电荷，产生稳定的反向电渗流（EOF）。调节缓冲液pH值、QC浓度、分子量及取代度，可对EOF进行调控以调节待分析组分的分离度和分离时间。五种碱性蛋白质混合体系在较宽的pH范围内都能得到有效分离。构建QC纳米粒子/乙炔黑（AB）仿生复合膜用于固定血红蛋白（Hb）和葡萄糖氧化酶（GOD），Hb/QC/AB和GOD/QC/AB电化学传感器分别对H2O2和葡萄糖具有良好的电催化活性以及电化学响应。总之，本项目为纤维素阳离子聚电解质的合成提供了新的方法和途径，并为开发新型纤维素功能材料提供了新的思路，具有科学意义和应用前景。