生物醫(yī)用高分子的表面改性

1、高分子材料表面與界面課程論文生物醫(yī)用高分子材料的表面改性綜述摘要 生物醫(yī)用高分子材料因其各種優(yōu)良的性能在當(dāng)前生物醫(yī)藥領(lǐng)域占有舉足輕重的作用,而生物相容性是生物醫(yī)用高分子材料必須具備的優(yōu)良特性,是材料產(chǎn)品成功應(yīng)用的關(guān)鍵目前,改善生物醫(yī)用高分子的生物相容性主要通過(guò)對(duì)其進(jìn)行表面改性,以達(dá)到能夠與生物體相適應(yīng)的要求,本文主要概述了生物醫(yī)用高分子的生物相容性以及相關(guān)的表面改性技術(shù)關(guān)鍵詞 生物醫(yī)用高分子材料 生物相容性 表面改性引文 隨著現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)的不斷發(fā)展,各種新型醫(yī)療材料得到了巨大的發(fā)展,其中,生物醫(yī)用高分子材料更是得到了非常廣泛的應(yīng)用,但同時(shí),也有其自身的不足,主要是當(dāng)合成材料植入機(jī)體內(nèi),細(xì)胞膜表

2、面的受體會(huì)尋找與之接觸材料表面所提供的信號(hào),以區(qū)別自體或異體,即免疫應(yīng)答反應(yīng)未經(jīng)表面改性的醫(yī)用高分子材料生物相容性差,使得機(jī)體產(chǎn)生強(qiáng)烈的免疫排斥反應(yīng),從而導(dǎo)致移植手術(shù)失敗因此,生物醫(yī)用高分子材料必須具備以下優(yōu)良的性能:與生物體器官細(xì)胞器組織細(xì)胞及生物大分子高度相容,無(wú)毒性、無(wú)致癌性無(wú)熱原反應(yīng),對(duì)機(jī)體組織血液免疫等系統(tǒng)無(wú)不良反應(yīng)等而這些性能要求都要通過(guò)對(duì)生物醫(yī)用高分子材料表面進(jìn)行一定的改性才能達(dá)到，因此,生物醫(yī)用高分子表面改性技術(shù)成為當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)1. 生物醫(yī)用高分子材料表面的生物相容性生物相容性是生物醫(yī)用材料與人體之間相互作用產(chǎn)生各種復(fù)雜的生物、物理、化學(xué)反應(yīng),以及人體對(duì)這些反應(yīng)的忍受程度

3、。植入人體的生物醫(yī)用材料及各種人工器官、醫(yī)用輔助裝置等醫(yī)療器械,必須對(duì)人體無(wú)毒性、無(wú)致敏性、無(wú)刺激性、無(wú)遺傳毒性和無(wú)致癌性,對(duì)人體組織、血液、免疫等系統(tǒng)不產(chǎn)生不良反應(yīng)。生物相容性可簡(jiǎn)單地概括為:活體與材料之間的相互關(guān)系,主要涉及組織相容性、血液相容性和細(xì)胞相容性 李世普.生物醫(yī)用材料導(dǎo)論m.武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社,2000:29-34.。1.1 組織相容性組織相容性指材料與生物活體組織及體液接觸后,不會(huì)致使細(xì)胞組織的功能下降,不會(huì)發(fā)生炎癥癌變以及生物排異反應(yīng)等合成高分子生物材料的主要缺點(diǎn)是往往含有可游離的有毒物質(zhì)或在與生物組織接觸過(guò)程中逐步降解產(chǎn)生有毒物質(zhì),長(zhǎng)期植入后出現(xiàn)異物反應(yīng)組織相容性要

4、求材料無(wú)毒、不損傷生物體組織沒(méi)有抗原性和致癌性等一般可通過(guò)對(duì)材料的選擇和改性來(lái)解決組織相容性問(wèn)題1.2 血液相容性血液相容性是指生物高分子材料表面抑制血管內(nèi)血液形成血栓的能力，降低或消除生物材料破壞血液中的紅細(xì)胞而導(dǎo)致的溶血現(xiàn)象，或因材料本身所致的血小板功能下降、白細(xì)胞暫時(shí)性減少和功能下降以及補(bǔ)體激活等血液生理功能的影響 郭海霞,梁成浩.生物材料血液相容性研究進(jìn)展j.上海生物醫(yī)學(xué)工程 2001,22(3):44-48所以，血液相容性材料的改性工作主要通過(guò)改進(jìn)材料表面的合成設(shè)計(jì)，以及對(duì)不同表面結(jié)構(gòu)的修飾來(lái)完成1.3 細(xì)胞相容性生物醫(yī)用高分子材料的細(xì)胞相容性主要是研究材料對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)附著增殖和代謝方

5、面的影響,是評(píng)價(jià)高分子生物材料生物相容性的一項(xiàng)重要內(nèi)容。而細(xì)胞毒性作用是考察材料細(xì)胞相容性的重要因素,主要表現(xiàn)在植入材料對(duì)細(xì)胞增殖細(xì)胞周期細(xì)胞凋亡以及胞內(nèi)蛋白表達(dá)等方面的影響 梅建國(guó). 生物醫(yī)用高分子材料的生物相容性及其表面改性技術(shù)j. 材料導(dǎo)報(bào), 2014,10,（10）:139-142,因此,對(duì)這些方面的研究是成功合成具有細(xì)胞相容性的生物高分子具有重要意義2 生物醫(yī)用高分子表面改性2.1 表面涂層技術(shù)表面涂層技術(shù)是生物醫(yī)用材料表面改性的一類(lèi)常用技術(shù),主要通過(guò)在高分子材料表面增加抗凝血涂層,鈍化敏感的生物材料表面,使血液不能直接與之接觸,從而有效提高材料的生物相容性白蛋白不僅能減少血小板的黏

6、附和聚集,還可降低纖維蛋白原和血漿蛋白的吸附。因此,預(yù)先在生物材料表面涂覆一層白蛋白或用白蛋白改性的物質(zhì)成分可顯著提高材料的抗凝血性能4但是，涂層與材料之間的粘附作用，主要依賴(lài)氫鍵、范德華力等物理作用來(lái)維系，這也導(dǎo)致涂層與基材表面的粘合力較弱，涂層穩(wěn)定性較差，特別是一些易脫落、易變形的醫(yī)療器件，會(huì)使涂層從基材表面脫落。而一些涂層自身由生物降解性物質(zhì)組成，易為機(jī)體組織降解、吸收，這些均會(huì)影響材料的穩(wěn)定性和使用效果。盡管如此，表面涂層技術(shù)以其設(shè)備簡(jiǎn)單、易于操作、均一性好等其他方法所不具備的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在生物材料表面改性過(guò)程中常被優(yōu)先考慮。2.2表面接枝改性技術(shù) 表面接枝改性是通過(guò)接枝親水基團(tuán)或疏水

7、基團(tuán)來(lái)改善血液相容性，是提高生物材料抗凝血性的一條重要途徑。這種方法構(gòu)建的表層與基材結(jié)合牢固，不易脫落，從而保證了生物材料良好的穩(wěn)定性。目前，關(guān)于高分子生物材料表面接枝技術(shù)的研究主要集中在接枝方法和接枝表面的抗凝血性上，前者是尋找材料表面產(chǎn)生接枝活性點(diǎn)的有效方法，而后者主要是通過(guò)接枝單體的設(shè)計(jì)和選擇來(lái)研究表面結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的改變對(duì)抗凝血性的影響。表面接枝改性技術(shù)可以通過(guò)選擇不同的單體對(duì)同一高分子材料進(jìn)行改性而使其表面具有截然不同的特性，從而得到許多個(gè)性化的生物醫(yī)用高分子材料 ma xing,wu xiaoming,wu yaoping,et al.posterolateralspinal fusi

8、on in rabbits using a rp-based plga/tcp/col/bmscs-ob biomimetic grafting materialj.j bioactive compatible polym,2009,24(5):457。因此，表面接枝改性技術(shù)在生物醫(yī)藥高分子材料中具有很好的發(fā)展前景。2.3等離子體表面改性技術(shù)等離子體中的電子、離子、原子、分子等都具有一定的能量,可與材料表面相互作用,產(chǎn)生表面反應(yīng),使表面發(fā)生物理化學(xué)變化而實(shí)現(xiàn)表面改性。等離子體表面改性有三種類(lèi)型等離子體表面處理、等離子體表面聚合及等離子體表面接枝聚合。2.3.1等離子體表面處理等離子體表面處理是

9、將材料置于非聚合性氣體中，利用等離子體中的能量粒子、活性物種與材料的表面發(fā)生反應(yīng)，在材料表面產(chǎn)生特定的官能團(tuán)，改變材料的表面結(jié)構(gòu)，達(dá)到對(duì)材料進(jìn)行改性。采用o2等離子體處理聚丙烯中空纖維膜表面，處理后材料表面羰基、烷氧基等極性基團(tuán)明顯增加，其表面自由能得以提高，進(jìn)而使得材料的溶血率和血小板粘附密度下降 周成飛.醫(yī)用高分子表面及其血液相容性j.高分子通報(bào),1989,(3):44-48.2.3.2 等離子體表面聚合等離子體表面聚合是將高分子材料置于聚合性氣體中，在其表面沉積形成一層較薄的聚合物。等離子體表面聚合具有以下特點(diǎn) 劉鵬,丁建東.等離子體表面改性技術(shù)在醫(yī)用高分子材料領(lǐng)域的應(yīng)用j.中國(guó)醫(yī)療器械

10、信息,2005,11(5):39-42.：(a).單體的種類(lèi)可為多種有機(jī)化合物；(b).等離子體聚合物膜為無(wú)針孔的薄膜，化學(xué)穩(wěn)定性好、熱穩(wěn)定性及機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)良，具有高度交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對(duì)基材的粘著性很好；(c).可以調(diào)控等離子體聚合物膜的交聯(lián)度以 及 物理、化學(xué)特性；(d).聚合過(guò)程中無(wú)需使用溶劑，運(yùn)用方便、靈活。2.3.3等離子體表面接枝聚合 yu z j,kang e t,neoh k g.electroless platnig of copper on polyimide films modified by surface grafting of tertiary and qua-tern

11、ary aminpolymersj.polymer,2002,43-46等離子體接枝聚合是將等離子體作為一種能源基體，對(duì)材料表面進(jìn)行預(yù)處理，并在材料表面產(chǎn)生活性自由基，引發(fā)功能性單體在材料表面進(jìn)行熱接枝或紫外光接枝。但熱接枝需要高溫，且耗時(shí)較長(zhǎng)。紫外光接枝具有反應(yīng)時(shí)間短、反應(yīng)條件溫和的特點(diǎn)，是近年來(lái)等離子體表面技術(shù)研究的熱點(diǎn)。2.4表面仿生修飾技術(shù)對(duì)生物醫(yī)用高分子材料進(jìn)行表面仿生化修飾，使其不被機(jī)體視為異物是一種改善血液相容性的理想方法。該法是在材料表面固定生理活性物質(zhì)（如肝素、水 蛭素、前列腺素等）和溶解血栓的纖溶性活化酶（尿激酶等），使表面具有生物活性，減弱血液與材料表面的相互作用，從而提

12、高抗凝血性。2.4.1 表面肝素化 肝素是最早被認(rèn)識(shí)的天然抗凝血藥物，通過(guò)抑制凝血酶原的活化，延緩和阻止纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)的形成而阻止凝血，具有很好的抗凝血效果，亦可能會(huì)減少導(dǎo)管介入所引起的細(xì)菌感染。將肝素固定于醫(yī)用生物高分子材料表面，是材料的抗凝血性改善的重要途徑，采用的方法有物理吸附法和化學(xué)偶合法，物理吸附法結(jié)合不太牢固，但能夠保持肝素的構(gòu)象不變；化學(xué)偶合法的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但不易保持肝素的構(gòu)象，從而使得抗凝血性能降低。2.4.2表面磷脂化細(xì)胞膜外表面主要由卵磷脂構(gòu)成。卵磷脂中的兩親性磷酸膽堿（phosphor-ylcholinepc）基團(tuán)具有很強(qiáng)的抗凝血活性，含有pc 端基的表面對(duì)血細(xì)胞呈惰性，不會(huì)

13、吸附和激活血小板；另外，pc端基帶有等量正、負(fù)電荷，親水性較好，可減弱與蛋白的相互作用，并可逆吸附蛋白，因此，被吸附的蛋白能購(gòu)保持其自然構(gòu)象。改善材料的血液相容性的有效方法是在醫(yī)用材料中引入磷酸膽堿基團(tuán)。2.4.3表面內(nèi)皮化 內(nèi)皮細(xì)胞固定法生物醫(yī)用高分子材料由于接觸到的生物體系成分（如體液、酶、細(xì)胞、自由基等）復(fù)雜，生物學(xué)環(huán)境極其復(fù)雜，僅僅依靠表面修飾很難使其血液相容性得到很大的改善。研究者發(fā)現(xiàn)改善血液相容性的重要途徑是通過(guò)應(yīng)用組織工程技術(shù)在材料表面原位培養(yǎng)人體內(nèi)皮細(xì)胞。血管內(nèi)皮細(xì)胞是體內(nèi)新陳代謝十分活躍的內(nèi)分泌器官。通過(guò)血管內(nèi)皮細(xì)胞的物理屏障作用及調(diào)節(jié)維持凝血因子和抗凝血因子之間的動(dòng)態(tài)平衡，

14、可使血液正常流動(dòng)，而不發(fā)生凝血。目前，改善材料血液相容性的理想方法是在生物醫(yī)用高分子材料表面種植、培養(yǎng)血管內(nèi)皮細(xì)胞，但直接將內(nèi)皮細(xì)胞種植在基質(zhì)材料表面不僅增殖速度慢，而且容易脫落分離。因此，通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合作用可將內(nèi)皮細(xì)胞固定在材料表面，然后再在其上種植和培養(yǎng)內(nèi)皮細(xì)胞。2.5光化學(xué)固定法 光化學(xué)固定法是在紫外光或可見(jiàn)光（200800nm）照射下，帶有雙官能團(tuán)（熱活性基團(tuán)和光活性基團(tuán)）的光偶聯(lián)劑將含生物活性成分的化合物分子偶聯(lián)到材料表面。偶聯(lián)途徑有兩種，一是先將目標(biāo)分子與光偶聯(lián)劑進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成有光活性基團(tuán)的衍生物，然后進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)使目標(biāo)分子共價(jià)偶聯(lián)到高分子材料表面。另外，也可先用光偶聯(lián)劑對(duì)材

15、料表面進(jìn)行光化學(xué)處理，再通過(guò)光偶聯(lián)劑與目標(biāo)分子生反應(yīng) xin w,li-hong l,olof r,et al.engineering nanomaterialsurfaces for biomedical applicationsj.exp biol med,2009,234(10):1128。在生物醫(yī)用高分子材料表面改性中，前者一般更為常用。在生物醫(yī)用高分子材料改性領(lǐng)域，光化學(xué)固定法有著其他方法不具備的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。該法不影響材料的本體性質(zhì)，不需要復(fù)雜的儀器和苛刻的工藝條件，操作簡(jiǎn)便，反應(yīng)迅速，成本較低 左文耀,馮亞凱,張世鋒.光固定法改善醫(yī)用高分子材料血液相容性j.材料導(dǎo)報(bào),2005,19(9):105-107.。而且，材料表面不需要反應(yīng)性官能基團(tuán)，能使材料表面處于高度有序狀態(tài)，抗凝血性更顯著。此法通用性較強(qiáng)，在常規(guī)生