用SI-ATRP方法改善高分子材料血液相容性的常用生物活性單體

張暢(國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣東 廣州 510000)

1 概述

血液相容性主要是研究血液與材料直接接觸后是否引發(fā)血小板聚集、凝血及血栓形成和溶血現(xiàn)象等問題。通常從抗凝血性能和保持血液成分完整性兩方面對(duì)材料的血液相容性進(jìn)行評(píng)價(jià)。由于血栓的形成及凝血的發(fā)生對(duì)血液接觸性材料的使用效率和處理效果造成嚴(yán)重的影響，因此作為血液接觸性材料而言，必須具備良好的血液相容性。

2 常用生物活性單體

本文研究了用SI-ATRP方法改善高分子材料血液相容性的常用生物活性單體。

2.1 聚乙二醇類

聚乙二醇具有強(qiáng)的親水性，無毒，分子鏈柔韌性及在溶液體系下高的空間位阻效應(yīng)等。盡管聚乙二醇類化合物阻止蛋白質(zhì)吸附的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)原理仍存在爭(zhēng)議，但通過在材料表面上覆蓋聚乙二醇分子層，是目前獲得抗蛋白質(zhì)吸附表面最常用的方法之一。Singh[1]通過SI-ATRP和硫醇分子自組裝的方法在金的表面制備了納米厚度的PEGMA聚合物刷子。他們的實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)接枝密度增加時(shí)，接枝后表面的聚合物形態(tài)由蘑菇狀變?yōu)樗⒆訝?，并且接枝后表面的?rùn)濕性和干的接枝層的厚度很大程度上依賴于接枝密度。通過多肽吸附和細(xì)胞粘附實(shí)驗(yàn)對(duì)其抗多肽吸附和細(xì)胞粘附性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在低的接枝密度的基底上粘附多肽(GRGDS)的吸附會(huì)促進(jìn)細(xì)胞的粘附，同時(shí)SPR測(cè)試結(jié)果和細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)多肽和細(xì)胞粘附都只發(fā)生在蘑菇狀的表面上，在接枝密度較高的刷子狀表面上，多肽吸附和細(xì)胞粘附幾乎可以忽略。

2.2 磷酰膽堿類

磷酸膽堿( phosphorylcholine, PC)是一類具有磷脂結(jié)構(gòu)的親水化合物，其兩性離子基團(tuán)部分可以在表面形成水化層，有效降低材料表面蛋白質(zhì)構(gòu)象的變化，阻抗蛋白質(zhì)的吸附。2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸膽堿(2-methacryloyloxyethylphosphoryl-choline,MPC) 因其含有磷酰膽堿基團(tuán)，與未添加抗凝劑的血液接觸時(shí)，仍能抑制蛋白質(zhì)的吸附和細(xì)胞的粘附。用MPC對(duì)傳統(tǒng)生物材料表面改性可顯著提高其生物相容性和抗血栓活性[2]。

Ishihara[3]利用紫外引發(fā)接枝的方式將MPC接枝到聚乙烯膜表面(PE-g-PMPC)。相同接枝條件下將丙烯酰胺、乙烯基吡咯烷酮和甲基丙烯酸聚乙二醇作為參照樣進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，水接觸角實(shí)驗(yàn)表明四種材料各自改性膜的親水性均大幅度地提高。蛋白質(zhì)吸附實(shí)驗(yàn)研究表明改性材料均具有一定程度的抗蛋白質(zhì)吸附性能，其中PP-g-PMPC樣品表現(xiàn)出對(duì)γ球蛋白和纖維蛋白原最為明顯的抗吸附性能，并認(rèn)為材料表面能有效地保持蛋白質(zhì)構(gòu)型不變，進(jìn)一步阻止血小板在改性材料表面的聚集。

Feng等[4]將MPC用表面引發(fā)ATRP和引發(fā)劑自組裝的方法接枝到硅片的表面，制備了接枝密度為0.06～0.39 chains/nm2和鏈長(zhǎng)為5～200個(gè)單體單元的接枝樣品。在pH為7.4的TBS緩沖溶液中測(cè)定其纖維蛋白原的吸附量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著接枝密度和接枝鏈長(zhǎng)的增加，當(dāng)接枝密度≥0.29 chains/cm2和鏈長(zhǎng)≥100 units時(shí)蛋白質(zhì)吸附量可以降低到10 ng/cm2以下，而未經(jīng)改性的硅片的吸附量為570 ng/cm2。同時(shí)他們還發(fā)現(xiàn)纖維蛋白原的吸附對(duì)接枝密度的依賴性比接枝鏈長(zhǎng)大，接枝密度增大使材料接枝后表面形態(tài)由蘑菇狀變?yōu)樗⒆訝?，?yàn)證了Singh等提出的刷子狀比蘑菇狀表面更抗多肽吸附和細(xì)胞粘附的觀點(diǎn)。

2.3 內(nèi)鹽類

內(nèi)鹽結(jié)構(gòu)的磺酸甜菜堿(SB)和羧酸甜菜堿(CB)等材料，由于其穩(wěn)定性更好、容易合成并且也具有良好的血液相容性而受到了關(guān)注?；撬崽鸩藟A的結(jié)構(gòu)式如圖1所示。

圖1 磺酸甜菜堿的結(jié)構(gòu)式

江紹毅研究組在利用羧酸甜菜堿材料構(gòu)建抗蛋白質(zhì)特異性吸附表面方面做了很多的研究。他們用ATRP引發(fā)的方式在金表面引發(fā)接枝了一系列的羧酸甜菜堿類似物，通過調(diào)控正負(fù)價(jià)態(tài)之間的碳鏈長(zhǎng)度，制備了含有不同碳鏈間隔臂的接枝共聚物，纖維蛋白原吸附試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)改性材料表面都表現(xiàn)出顯著的抗蛋白質(zhì)吸附性能。隨著離子強(qiáng)度增加和pH值的降低，改性材料的抗蛋白質(zhì)吸附能力有微弱的下降，但仍能達(dá)到較好的抗蛋白質(zhì)吸附性能，其中正負(fù)離子之間含有四個(gè)碳原子的羧酸甜菜堿抗蛋白質(zhì)吸附能力降低較大，可以認(rèn)為是由于正負(fù)離子距離較遠(yuǎn)，抗電解質(zhì)平衡能力較差引起的。

Cho等[5]將3-(甲基丙烯酰胺基)丙基-二甲基(3-磺酸)氫氧化銨(MPDSAH)用ATRP引發(fā)接枝到金的表面，得到了P(MPDSAH)覆蓋的金表面，具有良好的非特異性抗污性能。他們的實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)接枝的P(MPDSAH)聚合物刷可以達(dá)到像PEG接枝表面的的抗污效果。而且對(duì)蛋白質(zhì)的排斥效果比接枝的磷酰膽堿類的聚合物刷更好。用溶菌酶、纖維蛋白原、牛血清白蛋白和核糖核酸酶A作為模型蛋白質(zhì)進(jìn)行了蛋白質(zhì)吸附試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)接枝后的表面的蛋白質(zhì)吸附量<0.6 ng/cm2。

2.4 肝素類

肝素由D-β-葡糖醛酸(或L-α-艾杜糖醛酸)和N-乙酰氨基葡糖形成重復(fù)二糖單位組成的多糖，具有很強(qiáng)的負(fù)電荷。其結(jié)構(gòu)式如圖2所示。

圖2 肝素的結(jié)構(gòu)式

Xu[6]用表面引發(fā)ATRP的方法將PEGMA先接枝到硅片的表面，從而在硅片的表面得到一層密實(shí)的PEGMA覆蓋層。然后利用ATRP反應(yīng)后PEGMA末端帶的端基-Cl與肝素反應(yīng)將肝素接枝上去，這樣得到的肝素接枝量可以達(dá)到很高(約14 μg/cm2)。接枝后的表面對(duì)蛋白質(zhì)吸附和血小板粘附有顯著地抑制作用，同時(shí)呈現(xiàn)出很好的抗凝血性能(血液再鈣化時(shí)間約150 min)。他們認(rèn)為，接枝后的肝素之所以得以保持其良好的生物活性，是由于PEGMA擁有好的生物相容性，且它作為間隔臂為肝素在親水環(huán)境下提供了高的構(gòu)象自由度。

2.5 其他類

除了以上幾類比較常用的生物活性分子外，還有覆蓋生物膜表面的糖類、血漿中的主要蛋白質(zhì)白蛋白[7]、甲基丙烯酸-β-羥基乙酯(HEMA)、乙烯基吡咯烷酮、水蛭素等也大量應(yīng)用于生物醫(yī)用領(lǐng)域并獲得了良好的血液相容性效果。

徐志康教授及其課題組將合成的兩種含葡萄糖的單體(直鏈和環(huán)狀)通過紫外輻照的方式通過改變接枝單體濃度、接枝輻照時(shí)間等能實(shí)現(xiàn)對(duì)糖類單體的接枝密度的調(diào)控。材料表面親水性研究發(fā)現(xiàn)直鏈葡萄糖類改性材料具有更低的接觸角。靜態(tài)、動(dòng)態(tài)蛋白質(zhì)(BSA)吸附實(shí)驗(yàn)證明兩種糖類改性材料均具有良好的抗蛋白質(zhì)吸附性能，其中直鏈糖基化聚丙烯微孔膜具有更強(qiáng)的靜態(tài)抗蛋白質(zhì)吸附能力。另外，通過先固定活性基團(tuán)再引入葡萄糖類基團(tuán)到聚丙烯表面以及ATRP引發(fā)方式固定糖類單體。對(duì)所得最終產(chǎn)物進(jìn)行了生物性實(shí)驗(yàn)表征，結(jié)果均證明利用葡萄糖改性材料表面具有抗蛋白質(zhì)吸附性能和血液相容性。

3 結(jié)語

表面改性是指在保持高分子材料本體性能的前提下，采用物理或者化學(xué)的方法賦予高分子材料表面新的性能。表面改性的效率較高，且基本保持材料本體的性能不受影響，是改性材料表面性能最直接的方法。表面物理改性主要包括表面物理涂覆、離子沉積表面分子自組裝等方法，但表面物理改性的效果并不持久且容易發(fā)生脫落從而對(duì)血液造成污染。表面化學(xué)接枝的方法相比于其他的改性方法有許多的優(yōu)點(diǎn)，比如說效果持久，性能穩(wěn)定且能有效地避免接枝殘留物對(duì)血液的危害。在表面改性中，表面化學(xué)接枝法制備生物相容性的高分子材料被廣泛應(yīng)用，通過SI-ATRP方法引入上述活性生物單體，能夠有效改善高分子材料血液相容性，減少材料與血液直接接觸后是否引發(fā)血小板聚集、凝血及血栓形成和溶血現(xiàn)象等問題。