一种亲水改性聚苯乙烯材料表面的有效方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种亲水改性聚苯乙烯(PS)材料表面的有效方法，特别是亲水改性超 大孔聚苯乙烯微球;通过两步化学反应将天然糖分子接枝到超大孔PS微球表面(包括孔道 内表面），使PS微球表面具有良好的亲水性和生物相容性，进一步衍生后可作为细胞培养载 体、酶固定化载体以及快速分离生物大分子的色谱介质。属于高分子材料功能改性领域。
【背景技术】
[0002] 聚苯乙烯(PS)是日常生活中最常见的合成塑料之一，是一种无色透明的热塑性材 料，其玻璃化转变温度(Tg)高达100°C以上，在常温下以刚性玻璃态形式存在，具有优越的 抗水性和防潮性、优异的防腐蚀性和耐老化性、高透明度和无毒性，在纺织、建筑、汽车轮 胎、航空航天、生物医药等领域具有广泛的应用。但是，聚苯乙烯是一种强烈疏水性的聚合 物材料，限制了它在一些特殊领域的应用，特别是生物医用领域、生物科学研究领域和生物 分离领域等。
[0003] 生物医用高分子材料是用于生理疾病的诊断、治疗、修复或替换人体组织或器官， 增进或恢复其功能的高分子材料，以及医疗器械和药物剂型的聚合物材料。包括组织工程 的支架材料、人工脏器和生物医药的载体等。在医疗过程中，生物医用高分子材料是直接植 入或间接与人体体液、组织相接触的材料，所以对这类材料有着极为严格的选材要求，PS材 料本身具有卓越的机械性能、优异的物理化学性质和无毒性，若其强烈的疏水表面能够得 到有效的改善，将是一种优良的生物医药高分子材料;在生物科学研究领域，高分子材料也 发挥着基础性的作用，一次性细胞培养皿、微量滴定板等都是利用PS材料制备的，PS对蛋白 的非特异性吸附会产生误导性结果(Journal of biomedical materials research, 1992， 26:779~790)，另外，在使用过程中，PS的疏水性表面也会造成细胞的粘附及后续的迀移、 增殖等行为受阻的问题，如果能够对PS材料的表面进行亲水化处理，这些问题就会得到有 效改善;聚苯乙烯微球具有机械强度高、化学稳定好等优良性质在生物分离领域也得到了 广泛的关注，但由于生物大分子具有几十万乃至上百万的分子量、复杂的空间结构和特殊 的生物活性等一些不同于小分子的特点，而使得孔径通常小于50nm的传统大孔PS微球不适 合生物大分子的快速分离纯化，近年来出现的超大孔PS微球在快速分离蛋白色谱上具有很 大潜力（Journal of Chromatography A，1991，54,452-456;Polymer，2007,48:1981-1988)。但是，在分离过程中强烈疏水的PS材料会不可避免的对蛋白质等生物大分子造成非 特异性吸附并使其失活变性，所以研究者们纷纷通过对PS材料表面进行亲水改性的方式来 解决这一难题。
[0004] 文献报道中常用的亲水高分子包括聚乙二醇（Journal of biomedical materials research, 1992,26:779~790)、聚乙稀醇（Journal of Chromatography B， 1995,664:39-46；Journal of polymer science part A:polymer chemistry,2008,46: 5794-5804)、聚环氧乙烷一聚环氧丙烷一聚环氧乙烷的嵌断共聚物（Colloids and surfaces A: Physicochemical and engineering aspects，1998，136 : 21-23)、葡聚糖 (Langmuir，1995，11:2344-2347;Journal of biomedical materials research,1995,29: 741-747)、琼脂糖（Langmuir ,2008,24:13646-13652)、纤维素 （Langmuir ,1991,7:2412-2414)、支链淀粉(Polymer ,2005,46:3700-3707)等。上述材料主要通过物理吸附或化学接 枝方法固定到PS材料表面。物理吸附法主要通过PS的疏水表面与亲水高分子链上的疏水锚 点通过疏水作用相互吸附，进而通过化学交联吸附层的方式形成亲水镀层。该方法步骤简 单、操作方便，但是长期使用存在镀层脱落问题。化学改性方法要先在PS的苯环上接上活泼 基团（_CH 2C1，-OH，-C00H，-C0CH2C1，-NH2等），然后再利用这些活泼基团与亲水高分子链上 的羟基进一步反应，虽然步骤稍显复杂，但是通过化学键接枝的亲水镀层不易脱落，稳定性 好，得到众多研究者的青睐。
[0005] 现有化学改性方法涉及材料主要包括聚乙二醇、聚乙烯醇和葡聚糖。其中聚乙二 醇接枝后每条分子链只剩一个羟基，如果材料需要进一步衍生改性会受到限制。我们前期 用化学方法分别采在超大孔PS微球表面接枝了聚乙烯醇分子链(一种表面亲水改性聚苯乙 烯材料的方法及产品.国家发明专利，专利号Z1 200710177704.6)和聚乙烯醇水凝胶(一种 聚苯乙烯材料表面亲水改性的方法.国家发明专利，专利号Z1 201310315379.0)，使PS表面 的亲水程度大大提高，有效降低了聚苯乙烯微球(89.55mg BSA/g干球)对蛋白的非特异性 吸附能力，从牛血清白蛋白（BSA)的吸附量来看，镀层聚乙烯醇水凝胶(2.18mg BSA/g干球） 比接枝聚乙烯醇高分子链(7.72mg BSA/g干球)更有效。但是与我们之前物理吸附改性琼脂 糖（1 · 18mg BSA/g干球）效果相比还有一定差距。0sterberg(Journal of biomedical materials research，1995，29:741-747)比较了侧面连接（side-on)和末端连接（end-on) 葡聚糖两种化学镀层方式对掩盖PS疏水表面的影响。与改性前相比，侧面连接葡聚糖的PS 表面对纤维蛋白原的吸附量降至为2%，末端连接葡聚糖的PS表面降至11%，说明侧面连接 的葡聚糖更为有效。但是该工作里葡聚糖是通过与物理吸附在PS板上的聚乙烯亚胺(PEI) 形成席夫碱，再用硼氢化钠还原的方式连接的，仍然存在镀层脱落问题。如果能够直接在PS 表面化学接枝天然糖类，使其骨架保持PS优良的化学稳定性和机械强度，并且表面具有糖 类良好的生物相容性，将是一种十分理想的生物高分子材料。
[0006] 本发明在前面工作的基础上，提出了一种亲水改性PS材料表面的有效方法。首先 通过FriedeΙ-Crafts反应在PS表面偶联小分子官能团，进而通过Williamson醚化反应接枝 天然寡糖或多糖，使其有效掩盖PS的疏水表面，改性后的PS对BSA的吸附量进一步降低至 1.52mg BSA/g干球，与物理镀层琼脂糖的PS微球接近，镀层表面富含羟基，可以采用传统方 法进一步衍生成各种模式色谱分离介质。
【发明内容】
[0007] 本发明将溶解于有机溶剂中的天然寡糖或多糖通过Williamson醚化反应接枝到 功能化之后的PS表面，普通PS材料改性后能够有效降低蛋白质的非特异性吸附，在生物技 术领域有很大应用价值;改性后的超大孔PS微球是一种优良的蛋白质色谱分离基质，进一 步衍生后在快速规模化蛋白分离纯化领域具有很大的优势。
[0008] 本发明提出了一种亲水改性聚苯乙烯材料表面的有效方法，包括如下步骤：
[0009] 步骤1:参考文献方法(离子交换与吸附，2005，21 (4): 289-296)，在酸性催化剂的 作用下，通过Friedel-Crafts反应将聚苯乙稀的苯环功能化，得到具有以下结构通式的物 质A:
[0010]
[0011] 其中 R可为 〇 =以012)11(11=1-5)，0 = 0：(013)2，（012)11(11=1-4)，父可为(：1，8匕厶的功 能基团RX为卤烷基酰基或卤烷基，优选氯乙酰基或氯甲基。
[0012] 步骤2:在碱性物质存在条件下，将物质A与适量相转移催化剂(PTC)加入到溶有寡 糖或多糖的有机溶剂中，使糖分子通过醚键接枝到聚苯乙烯表面。当碱性物质为NaH，糖分 子为葡聚糖时反应式如下：
[0013]
[0014]本发明所述改性反应的步骤1中的聚苯