低并發(fā)癥醫(yī)用涂層構(gòu)建策略研究進(jìn)展

石恒沖， 車超越， 欒世方， 殷敬華, 2

（1. 中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所，高分子物理與化學(xué)國家重點實驗室，長春 130022；2. 威高集團(tuán)有限公司，山東省醫(yī)用植入器械技術(shù)重點實驗室，山東 威海264210）

材料表面直接與外部相接觸，其表面性質(zhì)對后續(xù)應(yīng)用至關(guān)重要，因此通過有效的方法來控制和調(diào)節(jié)表面物理化學(xué)性質(zhì)，可使材料具有摩擦性、黏附性、浸潤性、導(dǎo)電性、抗菌性和生物相容性等。醫(yī)用材料的功能性主要通過醫(yī)用材料表面與生物環(huán)境接觸而表現(xiàn)出來，因此需要對醫(yī)用材料表面進(jìn)行功能化改性，否則會產(chǎn)生細(xì)菌引發(fā)感染或凝血引發(fā)血栓等。如：材料在介/植入體內(nèi)后，細(xì)菌經(jīng)入口處侵入，范德華力和靜電作用使細(xì)菌吸附在材料/器械外壁上，隨后沿著周圍的纖維蛋白鞘蔓延入血，引起感染[1]，給患者帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及生命安全，美國每年治療醫(yī)療器械引發(fā)感染的費用接近270 億美元[2]。對于血液接觸類材料在使用過程中首先發(fā)生的是血液中的各種蛋白質(zhì)在材料表面吸附，隨后會引發(fā)凝血反應(yīng)、血小板黏附與激活、補(bǔ)體系統(tǒng)激活、紅細(xì)胞及白細(xì)胞響應(yīng)，進(jìn)而形成血栓和炎癥，最終導(dǎo)致器械應(yīng)用失敗[3]?；谏鲜鰡栴}，在材料表面調(diào)控結(jié)構(gòu)組成、構(gòu)建功能表面、實現(xiàn)低并發(fā)癥和生物相容性是該領(lǐng)域亟需解決的重要科學(xué)問題，并且“材料表面生物功能化及改性”已列入國務(wù)院“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃，因此該領(lǐng)域具有重要的研究意義。

目前，賦予材料表面特定化學(xué)官能團(tuán)，進(jìn)而提供其功能性的最常見方法有：表面化學(xué)接枝改性、單分子層自組裝（SAMs）、層層自組裝（LBL）、多巴胺功能涂層等。

1 表面化學(xué)接枝改性

表面化學(xué)接枝改性在很大程度上增強(qiáng)了材料表面的功能穩(wěn)定性。表面化學(xué)接枝改性主要分為“grafting to”和“grafting from”，較為常見是表面接枝聚合物刷，其類型包括均聚刷、嵌段共聚刷、無規(guī)共聚刷、交聯(lián)刷、梯度刷等，各種聚合物刷所表現(xiàn)出的功能也有所不同[4]。蘇州大學(xué)陳紅課題組[5]論述了表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與化學(xué)接枝改性對界面生物學(xué)性能的影響；四川大學(xué)趙長生課題組[6]在聚醚砜膜表面接枝類肝素物質(zhì)提高表面的抗凝血性能，可應(yīng)用到血液凈化領(lǐng)域；華南理工大學(xué)張廣照課題組[7]在材料表面接枝聚電解質(zhì)刷，并研究了與蛋白質(zhì)特異性吸附作用；浙江大學(xué)徐志康課題組[8]將抗污功能聚合物刷接枝到材料表面并研究其氧化穩(wěn)定性；西南交通大學(xué)黃楠課題組[9]通過接枝聚合物刷釋放NO 來改善血管支架的生物相容性及減少體內(nèi)支架的再狹窄。本課題組采用表面化學(xué)接枝構(gòu)建雙層高分子刷，通過對高分子刷層結(jié)構(gòu)和組成的調(diào)控與設(shè)計，獲得了水化驅(qū)動[10]、溫度驅(qū)動[11]和細(xì)菌響應(yīng)性[12]智能雙層刷醫(yī)用表面（圖1），實現(xiàn)按需啟動殺菌。

基于化學(xué)接枝改性方法存在如下局限性：（1）該策略相對復(fù)雜，功能化過程通常會涉及多個步驟；（2）接枝的聚合物刷厚度有限；（3）高額的制備成本以及無法在復(fù)雜形狀材料/器械表面進(jìn)行功能化學(xué)接枝改性。

圖 1 智能雙層聚合物刷醫(yī)用表面Fig. 1 Responsive medical surface with hierarchical polymer brushes

2 單子層自組裝

SAMs 指分子通過某些特定的基團(tuán)與基底表面相互作用、從而形成一定程度上有序的單分子層結(jié)構(gòu)。SAMs 由于表面結(jié)構(gòu)確定，因此是研究表面物理化學(xué)性質(zhì)以及表面與生物分子相互作用的理想模型。Whitesides等[13]通過SAMs 將表面化學(xué)組成與蛋白質(zhì)排斥性能相關(guān)聯(lián)，并總結(jié)出排斥蛋白質(zhì)的化學(xué)基團(tuán)應(yīng)具有極性、氫鍵受體、非電中性的特征。SAMs 作為模型表面也可用于研究材料表面與細(xì)胞間的相互作用[14,15]。通過SAMs 法進(jìn)行材料表面改性，能夠簡單高效地使表面具有特定化學(xué)官能團(tuán)，但表面單分子層能承載的生物活性分子數(shù)量非常有限。

3 層層自組裝

LBL 是利用目標(biāo)物質(zhì)與基底表面官能團(tuán)之間的化學(xué)作用、靜電相互作用或氫鍵與配位鍵等逐層交替沉積而成[16]。LBL 具有簡單、多功能性納米級控制等優(yōu)點，是涂覆平面和顆粒廣泛使用的技術(shù)之一，圖2列舉了幾種利用LBL 技術(shù)制備的各種功能材料[17]。浙江大學(xué)計劍課題組[18,19]采用LBL 技術(shù)開展了一系列工作，比如釋放疏水藥物的涂層構(gòu)建，同時詳細(xì)論述了通過LBL 技術(shù)構(gòu)建細(xì)胞外基質(zhì)模擬表面來調(diào)控細(xì)胞行為；吉林大學(xué)孫俊奇課題組利用LBL 技術(shù)分別制備了可愈合的抗污膜[20]、納米纖維膜[21]。但LBL 技術(shù)存在沉積層多、耗時長、穩(wěn)定性較差、膜厚度有限、反復(fù)沉積過程中沉積液交叉污染等不足。

圖 2 LBL 技術(shù)制備各種功能材料[17]Fig. 2 Different functional materials prepared by LBL technique[17]

4 多巴胺功能涂層

受到貽貝蛋白黏附的啟發(fā)，由于多巴胺具有兒茶酚結(jié)構(gòu)，能夠通過氧化聚合的方式形成無基底依賴性涂層，聚多巴胺涂層中具有兒茶酚以及胺基、亞胺基基團(tuán)，與其他活性物質(zhì)后續(xù)反應(yīng)可賦予涂層多種性能[22]，Messersmith 等[23]研究了聚多巴胺功能涂層體系，圖3 為多巴胺仿生黏附機(jī)制。Caruso等[24]通過一步組裝法制備單寧酸（TA）-鐵（III）絡(luò)合物體系，并在顆粒及膜表面進(jìn)行涂層。這兩類體系均利用了鄰苯酚類衍生物與材料表面的多重相互作用（包括共價鍵和氫鍵、范德華力、陽離子-π等非共價鍵）在多種類型基材的表面實現(xiàn)功能化。在過去10 年里，雖然科研人員在對聚多巴胺或植物多酚涂層的研究中開辟了一種對基底表面進(jìn)行修飾以獲得多功能材料表面的有效途徑，但聚多巴胺體系中的兒茶酚基團(tuán)不穩(wěn)定，極易氧化成鄰苯二醌，從而使材料表面的顏色發(fā)生變化，單寧酸體系中因鄰苯三酚與三價鐵離子的絡(luò)合作用，材料涂層顏色較深，呈棕色或黑色；另外，多巴胺的聚合過程復(fù)雜，沉積速率較慢，上述不足限制了其進(jìn)一步應(yīng)用，特別是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

圖 3 多巴胺仿生黏附的機(jī)制[23]Fig. 3 Mechanism of dopamine adhesion[23]

5 聚電解質(zhì)-表面活性劑復(fù)合物功能涂層

聚電解質(zhì)-表面活性劑復(fù)合物（簡稱聚電解質(zhì)復(fù)合物）是聚電解質(zhì)和帶相反電荷的表面活性劑通過靜電組裝誘導(dǎo)形成的復(fù)合物，帶電組分之間的靜電相互作用和聚電解質(zhì)主鏈與表面活性劑烷基鏈之間的疏水相互作用對于驅(qū)動分子自組裝以形成有序結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)較大[25-27]。該復(fù)合物易于制備和分離，可構(gòu)建成各種有序結(jié)構(gòu)。圖4 為聚電解質(zhì)-表面活性劑復(fù)合物中可能排列結(jié)構(gòu)的示意圖[27]：通過調(diào)節(jié)聚電解質(zhì)電荷密度和分布、聚電解質(zhì)鏈性質(zhì)（剛/柔性、分子量及分布、支化結(jié)構(gòu)）、表面活性劑鏈的性質(zhì)（極性基團(tuán)、烷基鏈、極性-非極性體積比、分子量）、聚電解質(zhì)和表面活性劑的電荷摩爾比和靜電組裝條件，可以改變聚電解質(zhì)和表面活性劑靜電組裝行為和結(jié)構(gòu)。

本課題組利用一步靜電組裝分別制備了聚胍-硬脂酸鈉、聚賴氨酸-雙（2-乙己基）磺基丁二酸鈉、單寧酸-季銨鹽復(fù)合物，并成功將上述復(fù)合物作為涂層制備抗菌醫(yī)用導(dǎo)管[28,29]。其中，通過研究聚己亞甲基鹽酸（PHMB）與不同陰離子反應(yīng)物之間的反應(yīng)，得到了理想的復(fù)合物。PHMB 的胍基通過質(zhì)子化靜電相互作用與帶負(fù)電荷的硬脂酸鈉（SS）反應(yīng)得到了不溶于水的復(fù)合物PHMB-SS。通過簡單的浸泡過程在醫(yī)用導(dǎo)管的表面可以快速形成涂層，此外，該過程不會改變導(dǎo)管的力學(xué)性能，PHMB-SS 涂覆的導(dǎo)管可以殺死細(xì)菌并防止隨后的細(xì)菌定植，在體外靜態(tài)及動態(tài)流動條件下表現(xiàn)出抗生物膜形成的特性。隨后，分別在體外和動物體內(nèi)實驗中探究了涂層的生物相容性，在模擬的人類環(huán)境中證明涂層的長期穩(wěn)定性。動物體內(nèi)實驗中驗證了涂層的抗菌性能（圖5）。這種制作方法簡單且所制備的涂層具有多種優(yōu)異性能，為表面改性提供了新的方法，但聚電解質(zhì)復(fù)合物涂層通過疏水或范德華力與基底材料相互作用力弱，涂層易脫落，以及在電解質(zhì)條件下不穩(wěn)定，作為醫(yī)用涂層很難滿足長效性需求。

圖 4 聚電解質(zhì)-表面活性劑復(fù)合物可能排列結(jié)構(gòu)的示意圖[27]Fig. 4 Possible arrangements in surfactant-polyelectrolyte complexes[27]

圖 5 一步靜電組裝聚胍-硬脂酸鈉復(fù)合物及抗菌涂層[28]Fig. 5 PHMB-SS complex by one step electrostatic assembly and its antibacterial coating[28]

6 總結(jié)與展望

上述醫(yī)用涂層的構(gòu)建均取得了較好進(jìn)展，為其在介/植入醫(yī)療器械使用過程降低并發(fā)癥提供了很多思路及指導(dǎo)方法，但仍然存在一些局限性或不足。未來低并發(fā)癥醫(yī)用涂層的研究重點有以下幾個方面：（1）醫(yī)用涂層多功能化，兼具抗菌、抗血栓、生物相容性等；（2）醫(yī)用涂層無色、穩(wěn)定、對基底和形狀無依賴性；（3）醫(yī)用涂層構(gòu)建方式簡單，易于工業(yè)化。