抗蛋白質粘附的聚合物材料

段英伎，劉袖洞

（大連大學 環(huán)境與化學工程學院，遼寧大連 116622）

生物醫(yī)用材料是能夠修復、替換或增強人體受損組織或器官功能的一類特殊材料，其需要進入人體才能發(fā)揮功能，如藥物載體材料、植入材料等，這就要求它們要與人體具有很好的生物相容性，不引起人體組織的免疫排斥。但是，這些材料作為異物進入人體，很難與體內分子、細胞、組織和器官等完全適應?？沟鞍踪|粘附作用是指有效抵抗蛋白質的非特異性粘附，它會直接受到多種復雜因素的影響，包括材料的物理化學反應性質（親疏水性、帶電官能團的分布等）、蛋白質本身化學性質以及位于蛋白質與固體材料界面的水化層等諸多因素[1]。其中，影響蛋白質粘附的首要因素就是材料表面的親疏水性。

1 抗蛋白質粘附的機理

1.1 空間排斥理論

當一個蛋白質分子接近一種材料的表面時，長鏈被壓縮以產生彈性排斥力，這種柔性聚合物中產物的空間排斥力具有抗蛋白質粘附性能，它能夠阻礙蛋白質分子的粘附。聚合物鏈的長度和厚度在生物抗蛋白質粘附中起著至關重要的作用，PRIME 等[2]和FENG 等[3]從不同角度闡述了長鏈聚合物材料的抗蛋白質粘附特性。一般來說，鏈段存在的時間越久，表面覆蓋范圍就越大，材料的抗蛋白質粘附效果就越好。

1.2 水化層理論

水化層理論又稱隔水層理論，該理論指出在各種材料主體表面建立親水性涂層表面，能夠大大提高材料表面的抗蛋白質粘附性能。當蛋白質和材料表面互相接近時，水分子會迅速排出，從而降低蛋白質和材料間的能量屏障，導致蛋白質脫水并粘附在材料表面上[4]。在材料表面增加水化層可以避免蛋白質和材料直接接觸，形成抗蛋白黏附的屏障，因此材料表面的水化能力已經成為衡量材料抗蛋白質粘附的重要因素之一。

2 抗蛋白質粘附材料的分類

抗蛋白粘附材料種類繁多，分類方法也很多，本文將抗蛋白質粘附的材料分為聚乙二醇（PEG）、兩性離子材料和混合材料3 類。

2.1 PEG

PEG 及其衍生物的結構單體為聚醚（-CH2CH2O-），鏈的末端為羥基，可與水分子形成氫鍵水化層。長分子鏈和側鏈分支能夠增加分子鏈的遷移性和空間位阻，從而起到較好的抗蛋白質粘附效果?？沟鞍踪|粘附性能與材料表面PEG 的鏈長和分子密度有關：PEG 分子鏈越長，相對應的鏈流動性就越好，空間位阻效應越小，蛋白質在表面的有效粘附就越弱；PEG分子鏈之間密度越大，相應的材料空隙越窄，蛋白質粘附在材料表面的空間位阻越大，越不利于蛋白質在表面的有效粘附。

ZHENG等[4]研究了具有甲氧基聚乙二醇（MPEG）的藻酸鹽/殼聚糖/藻酸鹽水凝膠微膠囊的化學改性，指出其能夠減少非特異性蛋白質的粘附：相同接枝度（DS）情況下，具有較長分子鏈的MPEG 比較短分子鏈的MPEG 抗蛋白粘附效果好；MPEG 表觀接枝密度隨DS 的升高而降低，抗蛋白粘附能力隨DS 的升高呈現先降低再提高的趨勢，當DS 為5%時，微膠囊抗蛋白質粘附能力最強，可將免疫球蛋白粘附量減少70%，將纖維蛋白原粘附量減小48%。

2.2 兩性離子聚合物

兩性離子聚合物是一種同時具有陰、陽離子基團的聚合物，近年來研究較多的是磷酰膽堿聚合物、羧基甜菜堿聚合物和磺基甜菜堿聚合物。兩性離子所攜帶的正負電荷基團可以通過靜電相互作用和離子化溶劑作用結合自由水分子，形成強水化層，使材料表面具有超親性，這一水化層對接近表面的蛋白質產生強烈排斥作用，從而達到抗蛋白質粘附效果。

磺基甜菜堿由磺酸陰離子基團和季銨鹽陽離子基團組成。王藝璇等[5]通過種子半連續(xù)法合成出具有不同親疏水單體比例的兩親性兩性離子共聚物（ASC），以磺基甜菜堿兩性離子（SBMA）為親水單體，以甲基丙烯酸三氟乙酯（TFMA）為疏水單體，對乙酸-醋酸乙烯共聚物（EVA）薄膜上進行涂覆改性，得到EVA 涂覆改性膜（EVA-ASC），利用考馬斯亮藍法和耗散型石英晶體天平法測定改性薄膜表面的抗蛋白質粘附性能。實驗結果表明，與EVA未改性薄膜相比，EVA-ASC（親水單體∶疏水單體=1.8 ∶1）的蛋白質粘附量為8.63 μg/cm2，相比減少92.1%，EVA-ASC 改性薄膜的抗蛋白粘附性能顯著提高。

由于兩性離子聚合物的極性強，它只溶解在高極性溶劑（如水、乙醇等）中，與其他低極性單體共聚非常困難；此外，含有兩性離子聚合物的材料遇水后溶脹造成其機械強度降低以及在固體表面不容易固定等問題使得這些材料的應用受到一定的限制。目前，兩性離子聚合物材料的研究還處在初始階段，對于兩性離子聚合物抗蛋白質粘附機理還需更深入的探索，以便更好地指導開發(fā)生物醫(yī)用材料。

2.3 兩親聚合物

親水性表面通常是由一種或幾種親水性聚合物修飾而成的，在較為復雜的環(huán)境中，會因缺乏穩(wěn)定性或遭到破壞而喪失抗蛋白質粘附的性能。而具有雙親性聚合物形成的親水性表面由于親疏水部分相容性差，會發(fā)生微相分離，進而形成納微米尺度分相區(qū)域，導致表面出現復雜的拓撲結構，降低了蛋白質在其表面粘附的熵和焓驅動力，從而抑制蛋白質在材料表面的粘附。

ZHU 等[6]使用親水性丙烯酸酯單體和疏水性甲基丙烯酸2-全氟辛基乙酯（FMA）通過自由基引發(fā)的共聚反應合成兩親聚合物，將氟化基團成功嵌入聚丙烯酸酯中。蛋白質粘附實驗表明，隨著本體/內部聚合物層（k）的減少，決定蛋白質粘附的關鍵因素逐漸從聚合物的表面轉移到其內部區(qū)域，并且當k 約為12 時，合成的聚合物表面上牛血清白蛋白和人血漿纖維蛋白原的粘附最小。

3 結語

蛋白質在生物材料表面粘附的研究屬于生物相容性的一個分支，目前對其機理的研究還處于起步階段，暫時沒有成熟的理論支撐。另外，檢測蛋白粘附量方法的原理各不相同，也存在一定的誤差范圍，導致研究結果差異性較大，難以形成比較一致或有規(guī)律性的結論。

隨著材料生物相容性的研究不斷深入，蛋白質-生物材料、細胞-生物材料的相互作用機理逐漸明晰，可指導高分子化學和生物材料領域的研究者有目的地進行分子設計，推動生物材料作為植入材料、藥物緩控釋載體、組織支架等方面的臨床應用。