脂肪族聚酯類生物材料表面仿生磷脂化改性技術(shù)的研究*

張曉敏，鄧金

（1.河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院，河北 張家口075000；2.河北北方學(xué)院理學(xué)院，河北張家口075000）

1 引 言

脂肪族聚酯類生物材料作為新型高科技功能材料，可診斷并治療人體疾病，并對(duì)損傷的組織和器官進(jìn)行調(diào)節(jié)和替換，以提升其功能[1]。由于脂肪族聚酯類生物材料置入人體過(guò)程中，材料表面最先與人體組織接觸，因此，材料表面的生物親水性、生物相容性和抗污染性對(duì)是否為人體所接受起決定性作用[2]。為提高脂肪族聚酯類生物材料的生物相容性，通常會(huì)改變材料自身性質(zhì)[3]，因此，研究一種高效的脂肪族聚酯類生物材料表面改性技術(shù)尤為重要。

當(dāng)前在改變脂肪族聚酯類生物材料表面性能時(shí)，多采用等離子體改性技術(shù)[4]，將脂肪族聚酯類生物材料置于存在非聚合性氣氛的等離子體腔內(nèi)，利用等離子體能量粒子使脂肪族聚酯類生物材料表面分子激發(fā)、電離、斷鍵等，進(jìn)而產(chǎn)生新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然而這類技術(shù)難度較高，提升材料表面性能較差[5-6]。本研究提出脂肪族聚酯類生物材料表面仿生磷脂化改性技術(shù)，以提升脂肪族聚酯類生物材料表面生物相容性。

2 脂肪族聚酯類生物材料表面仿生磷脂化改性

以丙烯腈為例，具體說(shuō)明仿生磷脂化改性技術(shù)：采用水相沉淀聚合法共聚丙烯腈和甲基丙烯酸羥乙酯產(chǎn)生丙烯腈共聚物[7]，將丙烯腈共聚物和2-氯-2-氧-1，3，2-二氧磷雜環(huán)戊烷反應(yīng)后，再與三甲胺進(jìn)行反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)丙烯腈共聚物表面仿生磷脂化。

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

脂肪族聚酯類生物材料表面仿生磷脂化改性過(guò)程中所需要的主要儀器設(shè)備見表1。

表1 主要儀器設(shè)備Table 1 Main instruments and equipment

脂肪族聚酯類生物材料表面仿生磷脂化改性過(guò)程中所需要的主要化學(xué)原材料見表2。

2.2 磷脂酰膽堿合成

2.2.1 2-氯-1，3，2-二氧磷雜環(huán)戊烷合成 選取三口燒瓶，容量為1 000 mL。將含CaCl2干燥劑的冷凝回流管、攪拌器以及滴液漏斗固定在燒瓶上。在燒瓶中分別加入純化的二氯甲烷與三氯化磷，分別為450、200 mL，采用攪拌器攪拌。攪拌中逐漸滴加無(wú)水乙二醇，體積約為126 mL，產(chǎn)生大量氯化氫氣體。為清除殘留的二氯甲烷[8]，原料置入反應(yīng)后立即對(duì)燒瓶?jī)?nèi)反應(yīng)物實(shí)施蒸餾，并對(duì)蒸餾后燒瓶中形成物實(shí)施減壓蒸餾[9]，獲取46～46.5℃/15 mm-Hg的2-氯-1，3，2-二氧磷雜環(huán)戊烷。

表2 主要化學(xué)原材料Table 2 Main chemical raw materials

2.2.2 2-氯-2-氧-1，3，2-二氧化磷雜環(huán)戊烷合成 選取三口燒瓶，容量為500 mL。在燒瓶中加入2-氯-1，3，2-二氧磷雜環(huán)戊烷和苯溶液，加入量分別為45 g和90 mL，在燒瓶?jī)?nèi)輸入干燥氧氣，6.5 h后結(jié)束。為去除殘留的苯溶液，對(duì)燒瓶?jī)?nèi)反應(yīng)物實(shí)施蒸餾，并對(duì)蒸餾后燒瓶中形成物實(shí)施減壓蒸餾，獲取70℃/0.3 mmHg的2-氯 -2-氧 -1，3，2-二氧化磷雜環(huán)戊烷。

2.2.3 2-（甲基丙烯酰氧）乙基-2-氧 -1，3，2-二氧化磷雜環(huán)戊烷合成 選取三口燒瓶，容量為500 mL。將溫度計(jì)、干燥管以及滴液漏斗固定在燒瓶上。在燒瓶中加入四氫呋喃、甲基丙烯酸羥乙酯以及三乙胺，加入量分別為180 mL、18 g和14 g，對(duì)三種原料實(shí)施攪拌，降低反應(yīng)溶液溫度至-20℃。在90 mL的干燥四氫呋喃內(nèi)溶入約20 g 2-氯-2-氧-1，3，2-二氧化磷雜環(huán)戊烷，將混合物逐漸滴加至燒瓶中反應(yīng)液內(nèi)，保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)直至滴加結(jié)束，并保持反應(yīng)狀態(tài)3 h，期間溫度維持在-25℃左右。清除燒瓶?jī)?nèi)產(chǎn)生的三乙胺鹽和殘留的四氫呋喃[10]，獲取透明粘稠的2-（甲基丙烯酰氧）乙基-2-氧-1，3，2-二氧化磷雜環(huán)戊烷。

2.2.4 [2-（甲基丙烯酰氧）乙基]磷脂磷脂酰膽堿合成 選取壓力瓶，容量為200 mL。將2-（甲基丙烯酰氧）乙基-2-氧-1，3，2-二氧化磷雜環(huán)戊烷以及純化后的乙腈置入壓力瓶?jī)?nèi)，加入量分別為4.5 g和27 mL。將溫度設(shè)置為-20℃后，在壓力瓶中加入無(wú)水三甲胺1.8 mL，并快速將瓶封口。將溫度提升至60℃并持續(xù)14.5 h，然后將溫度再次降至-20℃，使壓力瓶?jī)?nèi)生成物結(jié)晶，獲取白色沉淀物。將白色沉淀物置入干燥氬氣內(nèi)進(jìn)行過(guò)濾，使用乙腈循環(huán)處理[11]，最終獲取磷脂單體[2-（甲基丙烯酰氧）乙基]磷脂磷脂酰膽堿。

2.3 磷脂磷脂酰膽堿共聚物合成

選取三口燒瓶，容量為1 000 mL。在燒瓶?jī)?nèi)依次置入固定量的丙烯腈、[2-（甲基丙烯酰氧）乙基]磷脂磷脂酰膽堿和水。將氮?dú)馔ㄈ霟浚３?0 min，將溫度設(shè)置為反應(yīng)溫度后，將氧化還原引發(fā)劑置入燒瓶?jī)?nèi)，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下開始攪拌形成共聚合反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后，清除沉淀物，將生成物在去離子水和乙醇中清洗數(shù)次。為清除未反應(yīng)的單體和可溶性均聚物[12]，采用去離子水提純生成物，并在60℃下抽真空干燥，獲取丙烯腈/[2-（甲基丙烯酰氧）乙基]磷脂磷脂酰膽堿共聚物（PANCMPC）。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，PANCMPC具有較好的親水性、抗蛋白質(zhì)吸附性以及血液相容性。

2.4 PANCMPC與丙烯腈共聚物合成

將2.3節(jié)中的[2-（甲基丙烯酰氧）乙基]磷脂磷脂酰膽堿替換為PANCMPC，重復(fù)共聚過(guò)程，獲取PANCMPC與丙烯腈共聚物PANCHEMA。

2.5 仿生磷脂化改性PLCANCP的合成

為將存在生物特性的磷脂功能基團(tuán)導(dǎo)入共聚物分子側(cè)鏈上[13]，將PANCHEMA與2-氯-2-氧-1，3，2-二氧磷雜環(huán)戊烷實(shí)施反應(yīng)，然后和三甲胺實(shí)施開環(huán)反應(yīng)，生成仿生磷脂化改性PLCANCP，其生成路徑見圖1。

生成仿生磷脂化改性丙烯腈共聚物過(guò)程中，以共聚物PANCHEMA與2-氯 -2-氧 -1，3，2-二氧磷雜環(huán)戊烷實(shí)施反應(yīng)能夠緩和反應(yīng)過(guò)程，同時(shí)使用過(guò)量的2-氯-2-氧-1，3，2-二氧磷雜環(huán)戊烷和三甲胺，可使共聚物分子側(cè)鏈上的羥基和2-氯-2-氧-1，3，2-二氧磷雜環(huán)戊烷整體反應(yīng)，全部轉(zhuǎn)換為磷脂功能基團(tuán)[14]。

2.6 性能評(píng)價(jià)方法設(shè)計(jì)

對(duì)仿生磷脂化改性后脂肪族聚酯類生物材料表面性能評(píng)價(jià)，主要是對(duì)其生物相容性進(jìn)行評(píng)價(jià)，所使用的主要參數(shù)為親水量與蛋白質(zhì)截留率[15]。式（1）為親水性計(jì)算公式：

式中，Y、B和Δt分別表示透過(guò)液體積、有效表面面積和操作時(shí)間，單位分別是L、m2和h。

式（2）為相容性計(jì)算公式：

式中，xp表示透過(guò)液內(nèi)牛血清白蛋白濃度，xf表示原料液內(nèi)牛血清白蛋白濃度，兩者單位均為mg/mL。

仿生磷脂化改性后脂肪族聚酯類生物材料粘附比EFE進(jìn)行分析，計(jì)算公式為：

式中，Jw1表示初始水通量，Jw2表示材料表面清洗后的水通量，通過(guò)式（1）可獲取Jw1、Jw2，進(jìn)而求出EFE。

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 親水性對(duì)比分析

為測(cè)試本研究提出的脂肪族聚酯類生物材料表面仿生磷脂化改性技術(shù)的清水性，分別采用本研究技術(shù)、基于等離子體的脂肪族聚酯類生物材料表面仿生磷脂化改性技術(shù)和基于物理手段的脂肪族聚酯類生物材料表面仿生磷脂化改性技術(shù)對(duì)脂肪族聚酯類生物材料表面進(jìn)行仿生磷脂化改性實(shí)驗(yàn)，對(duì)比不同技術(shù)仿生磷脂化改性后脂肪族聚酯類生物材料表面水接觸角隨時(shí)間的變化情況，結(jié)果見圖2。

由圖2可知，三種仿生磷脂化改性技術(shù)在初始階段水接觸角差距較小，均維持在57%左右。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，三種仿生磷脂化改性技術(shù)的水接觸角均開始出現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì)。當(dāng)時(shí)間達(dá)到30 min時(shí)，本研究技術(shù)改性后的脂肪族聚酯類生物材料表面水接觸角下降趨勢(shì)最為顯著，達(dá)到15%左右；基于等離子體的仿生磷脂化改性技術(shù)水接觸角下降趨勢(shì)低于本研究技術(shù)，達(dá)到38%左右；基于物理手段的仿生磷脂化改性技術(shù)的水接觸角下降趨勢(shì)最小，僅達(dá)到42%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三種仿生磷脂化改性技術(shù)中，本研究技術(shù)的親水性最好，是由于本研究技術(shù)中引入了磷脂基團(tuán)，提高了脂肪族聚酯類生物材料表面的親水性。

圖2 不同技術(shù)的親水性對(duì)比結(jié)果Fig 2 Hydrophilicity of different technologies

3.2 生物相容性對(duì)比分析

為測(cè)試本研究技術(shù)對(duì)脂肪族聚酯類生物材料表面仿生磷脂化改性后，材料的生物相容性，基于3.1節(jié)中的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，對(duì)比三種仿生磷脂化改性技術(shù)后材料的生物相容性，結(jié)果見圖3。

圖3 不同技術(shù)改性后，材料的生物相容性對(duì)比結(jié)果Fig 3 Biocompatibility of different techniques

由圖3可知，當(dāng)牛血清白蛋白濃度逐漸提升時(shí)，三種仿生磷脂化改性技術(shù)對(duì)蛋白質(zhì)的吸收性能均存在不同程度上的提升。本研究技術(shù)仿生磷脂化改性后的脂肪族聚酯類生物材料表面與其他兩種技術(shù)相比，對(duì)牛血清白蛋白的吸收量最低。當(dāng)牛血清白蛋白的濃度達(dá)到4.0 g/L時(shí)，本研究技術(shù)的牛血清白蛋白吸收量達(dá)到最高，為10.46μg/cm2，而基于等離子體的仿生磷脂化改性技術(shù)對(duì)牛血清白蛋白吸收量為26.66μg/cm2，基于物理手段的仿生磷脂化改性技術(shù)對(duì)牛血清白蛋白吸收量為32.90μg/cm2。

3.3 材料粘附比分析

為測(cè)試本研究技術(shù)細(xì)胞粘附性能，基于3.1節(jié)中的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，對(duì)比三種仿生磷脂化改性技術(shù)后材料的細(xì)胞粘附結(jié)果，見圖4。

圖4 不同技術(shù)的材料粘附對(duì)比結(jié)果Fig 4 Material adhesion contrast results of different technologies

由圖4可知，三種仿生磷脂化改性技術(shù)的細(xì)胞粘附量具有較大的差距。其中采用物理手段的仿生磷脂化改性技術(shù)的聚酯類生物材料表面每平方毫米的細(xì)胞粘附量達(dá)到730個(gè)以上；而采用等離子體的仿生磷脂化改性技術(shù)后，材料表面每平方毫米的細(xì)胞粘附量為440個(gè)左右；采用本研究技術(shù)后的材料表面每平方毫米的細(xì)胞粘附量接近180個(gè)。采用本研究技術(shù)后材料表面每平方毫米的細(xì)胞粘附量不足采用物理手段的仿生磷脂化改性技術(shù)細(xì)胞粘附量的四分之一，說(shuō)明本研究技術(shù)對(duì)提升脂肪族聚酯類生物材料表面親水性與生物相容性的幫助更大。

4 結(jié)論

為提升脂肪族聚酯類生物材料表面性能，對(duì)其進(jìn)行仿生磷脂化改性尤為重要。本研究提出脂肪族聚酯類生物材料表面仿生磷脂化改性技術(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本研究技術(shù)對(duì)脂肪族聚酯類生物材料表面仿生磷脂化改性后，材料表面親水性、生物相容性及材料粘附比均有所提升。