静电纺丝类肝素细菌纤维素/壳聚糖仿生膜的表面微观结构与血液相容性

Bacterial cellulose (BC) is an ideal natrual macromolecule raw material for biomedical polymer material because it has many better properties than plant cellulose, such as synthesized by microorganism, smaller fibre, stronger mechanical strength, higher purity, etc. In this project, BC and chitosan will be regioselectively modified to prepare BC sulfate (SBC) and carboxymethyl chitosan (CMC), respectively. Then SBC and CMC will be electrospunned to prepare bionic membrane (HBC) which has both similar chemical struture with heparin and similar nano and micro-morphology with extra cellular matrix. The effects of the chemical and aggregation structures of SBC and CMC, the electrospinning conditions on the surface microstructure (including surface chemical components, fibre size, pore size and porosity, surface charge and surface free energy) and the hemocompatibility of HBC will be investigated. And the relationship between the surface microstructure and hemocompatibility will be analyzed. It is expected to obtain the methods to control the surface microstructure and hemocompatibility of HBC. The project is aimed to supply theoretical data for design and preparation of hemocompatible BC biomedical material. No publications about regioselective substituted SBC and heparinoid from cellulose sulfate and CMC have been searched until now. Both BC and chitosan are abundant resources in Hainan province. This research is meaningful to promote future utilization of the local natural bioresources.

细菌纤维素（BC）具有由微生物发酵合成、纤维束更细、力学性能更强、纯度更高等优于植物纤维素的优点，是制备医用高分子材料的理想天然大分子。本项目拟通过选择性化学改性制备具有设计结构的细菌纤维素硫酸酯（SBC）和羧甲基壳聚糖（CMC），再采用静电纺丝法将SBC 和CMC复合，获得具有类肝素化学结构和类细胞外基质微纳米形态的仿生膜（HBC），研究SBC和CMC化学结构及聚集态结构、纺丝参数等对HBC表面微观结构（化学组成、纤维束大小、孔隙大小及孔隙率、表面电荷、表面自由能等）和血液相容性的影响，探索表面微观结构与血液相容性的关系，以期获得调控HBC表面微观结构和血液相容性的方法，为设计和制备血液相容性良好的BC生物材料提供理论依据。目前未见选择性改性的SBC以及复合纤维素硫酸酯与CMC制备类肝素材料的报道。细菌纤维素和壳聚糖均是海南富产资源，本研究对促进地区生物资源开发利用具有重要基础理论意义。

细菌纤维素和壳聚糖是重要的生物多糖，也是海南富产资源，具有重要开发前景。本项目对细菌纤维素（BC）进行选择性硫酸酯化改性，获得了取代度0.01-0.86的本体和表面改性的细菌纤维素硫酸酯(BCS)，掌握了BC硫酸酯化改性的反应规律。通过溶液静电纺丝和BCS膜表面静电纺丝的方法制备了9种的具有类肝素化学结构和类细胞外基质形态的仿生复合膜（HCM）：壳聚糖/聚乙烯醇（PVA）、羧甲基壳聚糖/PVA、羧甲基壳聚糖纳米颗粒（NCMC）/乙基纤维素（EC）、壳聚糖纳米颗粒（NCTS）/PVA、NCTS/聚乳酸（PLA）、NCTS/EC、EC/PVA/BCS、NCTS/EC/BCS、NCMC/PVA/BCS。采用扫描电镜、光电子能谱仪、红外光谱、接触角仪等对HCM膜表面微观结构（表面化学组成、纤维束大小、孔隙大小及孔隙率、表面亲疏水性等）进行了测试，研究分析了HCM表面的化学结构、表面形貌、静电纺丝条件、原料结构等对HCM表面微观结构的影响机制，发现针对不同纺丝原料，调节静电纺丝电压、距离和溶液浓度可以获得仅含纤维丝的纺丝膜，添加NCTS或NCMC、BCS改善了PVA、PLA、EC的纺丝性能。以BCS为接收器，可以获得表面具有-COO-、-SO3－和－NH的仿肝素复合膜（CPBS）。采用凝血时间、血小板粘附实验测试了HCM的血液相容性，分析了HCM表面化学结构及微观结构与血液相容性的关系，结果显示所有仿生膜均有较好血液相容性，仅含类细胞外基质纤维丝的仿生膜血液相容性更好，表面同时含有-COO-、-SO3－的CPBS膜血液相容性最佳并呈现良好抗凝血性。本项目研究成果为设计和制备在人造血管、血管支架材料、人工肾等领域有应用前景的血液相容性生物材料奠定了理论依据。已发表SCI收录论文5篇、EI收录论文1篇，另有2篇论文正在修改中，4篇论文已投稿在审阅中。申请国家发明专利2项。培养研究生7人。完成了项目研究目标。