生物材料表面仿生磷脂化改性的研究概況*

黃嘯，鄭曦，徐婭娟，杜良慶，許佐娟

（1.銅仁學(xué)院大健康學(xué)院，貴州銅仁554300；2.銅仁學(xué)院科研處，貴州銅仁554300；3.銅仁學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州銅仁554300）

1 引 言

生物材料是對(duì)人體進(jìn)行疾病診斷、治療、修復(fù)，替換其病損組織、器官或增進(jìn)其功能的新型高技術(shù)功能材料。當(dāng)生物材料進(jìn)入體內(nèi)后，首先與機(jī)體組織接觸的就是材料表面，因此，生物材料表面性質(zhì)決定了材料進(jìn)入人體后的命運(yùn)。通過有機(jī)或者無機(jī)合成的方法來改變這些材料自身性質(zhì)以提高其生物相容性難度較大，且難以滿足材料的生物學(xué)功能。而對(duì)材料進(jìn)行表面改性且不影響材料的內(nèi)部性能成為一種行之有效的簡(jiǎn)單方法［1-3］。

人體細(xì)胞膜具有磷脂雙分子層結(jié)構(gòu)，不僅對(duì)細(xì)胞起著支撐和保護(hù)的作用，還能進(jìn)行特定的生化反應(yīng)。兩親性的磷脂層具有天然的抗吸附性和生物反應(yīng)活性。因此，利用磷脂構(gòu)建人造磷脂層以仿生天然細(xì)胞膜優(yōu)異的生物和理化性質(zhì)進(jìn)而對(duì)生物材料表面進(jìn)行仿細(xì)胞膜改性成為提高材料生物相容性和生物活性的較好選擇［4-5］。研究表明，用磷酸基團(tuán)或其聚合物對(duì)生物材料表面進(jìn)行仿細(xì)胞膜改性，可降低對(duì)蛋白的吸附及對(duì)血小板的黏附作用，顯著提高材料的生物相容性［6-8］，所以，利用磷脂或其聚合物進(jìn)行生物材料表面改性已成為提高材料生物相容性和生物活性極具潛力的研究方向之一。

2 類細(xì)胞膜仿生改性磷脂聚合物

2.1 磷脂酰乙醇胺類磷脂

生物界中，磷脂酰乙醇胺類磷脂聚合物廣泛存在，在不同生物種類中的組成的結(jié)構(gòu)不同，在細(xì)胞膜中起著重要的作用。其中1，2-二油酸甘油-3-磷脂酰乙醇胺（DOPE）能決定細(xì)胞膜的穩(wěn)定性［9］，所以常用于納米粒子表面改性，以增強(qiáng)納米粒子在體內(nèi)的穩(wěn)定性。在構(gòu)建仿細(xì)胞膜磷脂層時(shí)，DOPE的摩爾含量在10%以內(nèi)，納米粒子分布在癌細(xì)胞中的濃度呈上升趨勢(shì)，可用于載藥納米粒的靶向化療［10］。同時(shí)，DOPE也能用于構(gòu)建遞送基因的脂質(zhì)體中，以增加脂質(zhì)體的入胞率［11］。此外，在納米粒子表面修飾上其他的磷脂酰乙醇胺類物質(zhì)（如，1，2-二硬酯酸 -3-磷脂酰乙醇胺（DSPE）［12］，1，2-二硬酯酸 -3-磷脂酰乙醇胺（DMPE）［13］，二棕櫚酰磷脂酰乙醇胺（DPPE）［14］等）均能增加納米粒子在溶液中的穩(wěn)定性。

磷脂酰乙醇胺類在細(xì)胞膜中起著重要的作用，生物相容性好，但人工合成繁瑣，需要極昂貴的試劑，所得產(chǎn)品的產(chǎn)率非常低，限制了深入研究。同時(shí)，磷脂酰乙醇胺類的某些衍生物的生物相容性有待實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2 磷酸膽堿類磷脂

磷酸膽堿具有兩親性，參與組成細(xì)胞膜基本單元的親水端基，是細(xì)胞外層膜中的主要成分。由于磷酸膽堿具有良好的生物相容性，研究人員合成并開發(fā)了一系列磷酸膽堿類磷脂。

目前，已經(jīng)有很多磷酸膽堿類磷脂問世。2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰膽堿（MPC）的單分子層就可構(gòu)建類細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，能為生物材料表面和機(jī)體系統(tǒng)提供良好的反應(yīng)界面［15］。在此基礎(chǔ)上將MPC、甲基丙烯酸十八酯（SMA）、對(duì)硝基苯氧羰基聚乙二醇甲基丙烯酸酯（MEONP）聚合，制備出新型仿生細(xì)胞膜涂層材料（PMSH），并將PMSH涂覆到支架材料上，得到了很好的親水性和良好的血液相容性，可以實(shí)現(xiàn)涂層的內(nèi)皮細(xì)胞選擇性［16］。Jia等［17］用丙烯酰氧乙基磷酸膽堿仿生材料涂覆在一種人工合成的藥物載體（G5 PAMAM）上，通過細(xì)胞活性和細(xì)胞形態(tài)的研究表明，丙烯酰氧乙基磷酸膽堿仿生涂層能夠明顯降低（G5 PAMAM）的細(xì)胞毒性。Long等［18］利用磷酸膽堿和聚乙二醇改性聚乳酸薄膜，明顯降低了材料的疏水性，增強(qiáng)了水合作用，抑制了纖維蛋白原和牛血清白蛋白的吸附，從而表現(xiàn)抗血小板吸附特性。

磷酸膽堿是一種具有仿細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的化合物，基于磷酸膽堿基的各類聚合物不僅可有效改善材料的血液相容性，而且可有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)抗包括蛋白質(zhì)，血小板和細(xì)胞的非特異性吸附，已成為心血管植入材料界面修飾的有效手段之一［19］。磷酸膽堿類磷脂合成簡(jiǎn)單，成本較低，儼然已成為磷脂聚合物發(fā)展史上的重要突破。

2.3 其他種類的磷脂

磷脂聚合物的種類非常多，不同種類的磷脂聚合物也具有不同的性質(zhì)，研究者們也致力于利用不同的磷脂聚合物對(duì)生物材料進(jìn)行表面改性，進(jìn)而滿足不同的生物學(xué)功能。（2，3-二油?；?丙基）三甲基氯化銨（DOTAP）是一種陽離子磷脂，常被用于材料表面改性，使得之表面富含正電荷，方便攜帶呈負(fù)電的基因進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)［20-22］。Reinhardt等［23］利用DOTAP在二氧化硅納米粒子表面構(gòu)建了一層陽離子表面膜層，制備了一種能在高濃度鹽溶液中保持穩(wěn)定的DNA載體。因此，這種載體在機(jī)體環(huán)境內(nèi)仍能保持高的穩(wěn)定性。除納米粒子之外，DOTAP還能在平面材料表面構(gòu)建仿生的三維磷脂分子層，用以攜帶 RNA分子［24］。

磷酯酰絲氨酸（PS）位于細(xì)胞膜的內(nèi)層，是具有負(fù)電荷的雙親性分子。利用PS對(duì)羥基磷灰石進(jìn)行表面改性，可明顯降低非特異性蛋白的吸附［25］。PS還具有催化生物礦化過程的作用，將PS與賴氨酸交聯(lián)制備出樹枝狀聚合物，沉積在二氧化鈦表面形成單分子層，在模擬生理流體力學(xué)狀態(tài)下，相對(duì)于對(duì)照組能明顯增加MG63和SAOS-2細(xì)胞的黏附率和增殖率，還能促進(jìn)SAOS-2細(xì)胞朝成骨細(xì)胞方向分化［26］。

磷脂聚合物因其具有與細(xì)胞膜相似的組成成分及結(jié)構(gòu)，具備良好的生物相容性，血液相容性和抗蛋白質(zhì)吸附特性，因此，在藥物載體，牙科材料和再生醫(yī)學(xué)等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域極具應(yīng)用前景［27］。

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3 仿生磷脂化改性方法

仿生磷脂化表面改性的方法一般分為物理法和化學(xué)法。物理法通常包括表面涂覆、共混、LB膜3種方法?；瘜W(xué)法通常包括表面自組裝、基團(tuán)接枝或聚合等。

3.1 表面涂覆法

磷脂聚合物可在基體材料表面形成磷脂雙分子層，改善材料的生物相容性。最直接和簡(jiǎn)單的方法就是將聚合物配成溶液涂覆在材料表面，待溶液蒸干后自然成膜。

郝立波等［28］制備了RNAⅢ抑制肽/磷酸膽堿基細(xì)胞膜仿生藥物聚合物。將潔凈的316L不銹鋼片浸漬于聚合物和RNAⅢ抑制肽的四氫呋喃混合溶液中，制備聚合物涂層，根據(jù)國(guó)標(biāo)進(jìn)行兔溶血實(shí)驗(yàn)、凝血實(shí)驗(yàn)、血小板聚集實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明RNAⅢ抑制肽/磷酸膽堿基細(xì)胞膜仿生藥物涂層具有良好的血液相容性。但是表面涂覆法的缺點(diǎn)是膜層與材料表面形成的結(jié)合力不強(qiáng)，致使整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不高。為了改進(jìn)這一問題，Wang等［29］引入甲基丙烯酸-3-三甲氧基硅丙酯與磷酸膽堿形成交聯(lián)聚合物，能在生物材料表面形成分子更為密集、穩(wěn)定程度更高的磷脂分子層。

表面涂覆方法是表面改性的基本方法，對(duì)于磷脂類雙親性分子，在溶劑干燥的過程中，憎水基團(tuán)占據(jù)表面位置使表面自由能降低，因而得到與細(xì)胞外層膜結(jié)構(gòu)相反的表面。當(dāng)該表面與水接觸時(shí)，表面基團(tuán)由于親/疏水作用可重新取向，從而降低表面自由能。

3.2 共混改性

共混聚合物是由兩種以上聚合物混合得到的多組分體系。磷酸膽堿聚合物可與聚砜［30］、聚氨酯［31］等共混，形成具有納米或微米相的磷酸膽堿表面。Takai等［32］將MPC與聚二甲硅氧烷共混，制備出高抗生物污染性和高通透性仿生醫(yī)用橡膠，表現(xiàn)出優(yōu)越的表面親水性，抗蛋白質(zhì)吸附特性和電滲透性。

磷酸膽堿聚合物的極性較強(qiáng)，與極性弱的聚合物混合的相容性較差，因而很難獲得結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、功能突出的共混體系。在溶液中將聚合物各組分分別交聯(lián)形成各自的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不同聚合物網(wǎng)絡(luò)相互穿插可形成聚合物互穿網(wǎng)絡(luò)。互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中不同聚合物之間沒有化學(xué)鍵連接，因而互穿網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的共混體系?；ゴ┚W(wǎng)絡(luò)用連鎖結(jié)構(gòu)克服了普通共混鍵體系的穩(wěn)定性難題，在生物材料的研究與開發(fā)領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。

3.3 LB膜法

LB膜法是將同時(shí)具有疏水基團(tuán)和親水基團(tuán)的兩親性分子溶于揮發(fā)性的有機(jī)溶劑中，鋪展在氣/液界面上，待溶劑揮發(fā)后沿著平行液面的方向橫向施加一定的表面壓，這樣溶劑分子便在液面上形成緊密排列的有序單層膜，然后通過垂直或水平法將LB膜轉(zhuǎn)移到固體基片表面。LB膜所具有的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)與生物膜極為相似，具有非常好的生物相容性，能把功能分子固定在指定的位置上，獲得特定的功能。利用卵磷脂、半乳糖腦苷脂和膽固醇構(gòu)建的LB膜表現(xiàn)出良好的血液相容性，非特異性蛋白和血細(xì)胞的吸附率都顯著下降［33］。

3.4 自組裝成膜法

形成自組裝膜的方式一般有以下兩種：一種是先在溶液的表面鋪展特定的兩親性分子膜，然后將一定量的活性生物分子注入底相溶液中，當(dāng)活性生物分子擴(kuò)散后就會(huì)被吸附到兩親性分子膜表面，形成自組裝膜；另一種方式是先將一定量的活性生物分子注入底相溶液中，然后在溶液表面鋪展特定的兩親性表面活性劑，當(dāng)兩親性表面活性劑形成單分子膜后，就會(huì)吸附底相中的活性生物分子自動(dòng)組裝成膜。分子自組裝成膜是分子間作用力協(xié)同作用的結(jié)果。自組裝膜具有取向性好、有序性強(qiáng)、排列緊密等特點(diǎn)，利用磷脂分子自組裝特性在材料表面構(gòu)建自組裝膜已成為細(xì)胞膜仿生生物材料研究的重要手段。

層層自組裝是近些年來發(fā)展的一種新型的組裝方式，將含磷酸膽堿基團(tuán)的聚合物通過靜電力層層自組裝，可輕易控制薄膜厚度，構(gòu)建出排列高度有序的低細(xì)胞毒性表面［34］。Fujie等［35］利用層層自組裝技術(shù)在材料表面構(gòu)建了厚度為11 nm的MPC納米薄片，增大了材料表面的親水性，從而增強(qiáng)了材料的抗生物沉積性和抗凝血活性。

3.5 基團(tuán)接枝或聚合法

在高分子聚合膜表面接枝含官能團(tuán)的磷脂分子是制備磷脂改性仿生膜的重要方法之一。用這種方法可以將磷脂分子以化學(xué)鍵的方式結(jié)合在高分子聚合膜表面，形成穩(wěn)定的復(fù)合膜，而且不會(huì)改變高分子聚合膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。另一種方法是原位聚合，該方法是利用磷脂的自組織性，在聚合膜表面通過原位聚合物形成復(fù)合膜?；具^程是將含有可聚合基團(tuán)的磷脂單體吸附到高分子聚合物的表面，形成單層膜或多層膜。然后再引發(fā)磷脂單體二維聚合，可以形成聚合物支撐非對(duì)稱聚磷脂復(fù)合膜。除此之外，還有臭氧引發(fā)表面聚合、光引發(fā)表面聚合、光固定表面接枝等方法。

近些年來，石墨烯在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用備受關(guān)注［36-38］，但其在生物體液中容易發(fā)生聚集，嚴(yán)重影響其功能的執(zhí)行。石墨烯氧化物表面富含羥基，可以與MPC上的甲基丙烯酸酯基發(fā)生自由基聚合。將磷酸膽堿分子通過自由基聚合方法接枝到石墨烯表面就能很好的避免其在生物體液的聚集效應(yīng)［39］。Goda等［40］利用硫醇烯反應(yīng)，將MPC分子上接上具有反應(yīng)活性的巰基，進(jìn)而對(duì)金表面進(jìn)行修飾，使得金表面接枝上富含MPC的薄膜。由于磷酸膽堿具有良好的抗生物沉積效果，將其嵌入聚合物主鏈或接枝到支鏈上都能增強(qiáng)聚合物的抗生物沉積性。通過邁克爾加成反應(yīng)，將MPC接枝到PEI的支鏈上，可得到制備具有優(yōu)良抗生物沉積作用的基因載體材料［41］。

4 結(jié)語與展望

作為生物醫(yī)學(xué)材料研究領(lǐng)域發(fā)展最快、應(yīng)用前景廣闊的新技術(shù)，磷脂化仿生細(xì)胞膜表面改性技術(shù)已取得了一定的研究成果，但總體上還處在應(yīng)用基礎(chǔ)研究階段。目前正在從最初的血液相容性應(yīng)用基礎(chǔ)研究向組織相容性、藥物靶向控釋、組織工程、基因治療、再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域擴(kuò)展。

可以預(yù)見未來磷脂化仿生細(xì)胞膜表面改性技術(shù)研究熱點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面：植入器件表面性質(zhì)的仿生改性，消除生物相容性問題；用于血液透析膜及血液灌流器，避免血液蛋白及細(xì)胞的沉積；模擬細(xì)胞外基質(zhì)，控制性地進(jìn)行干細(xì)胞的體外精準(zhǔn)培養(yǎng)；抗生物污染的生物傳感器表面構(gòu)建，達(dá)到無干擾傳導(dǎo)生物信號(hào)的目的。

發(fā)展磷脂化仿生細(xì)胞膜表面改性技術(shù)必須綜合化學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)、分子生物學(xué)、生物化學(xué)、生理學(xué)、病理學(xué)、藥學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)等相關(guān)學(xué)科。根據(jù)臨床需求進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，爭(zhēng)取能早日應(yīng)用于仿生膜材料及仿生學(xué)器官，發(fā)揮相應(yīng)作用。