血液相容性材料表面表征手段

張暢(國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心，廣東 廣州 510000)

1 概述

高分子材料的血液相容性問題主要是指材料與血液接觸后是否引發血小板聚集、凝血以及血栓形成和溶血等現象的問題。通常從抗凝血性能和保持血液成分完整性兩方面對材料的血液相容性進行評價。由于血栓的形成及凝血的發生對血液接觸性材料的使用效率和處理效果造成嚴重的影響，因此血液接觸材料必須具備良好的血液相容性。

血液相容性的評價、具有血液相容性材料的制備和研發以及材料與血液相互作用機制是血液與材料相互作用的三個基本問題。血液相容性材料無論是新材料的制備還是新的測試方法的研發或新理論的應用，基本上都是圍繞這三個問題來展開。隨著高分子科學的發展，高分子材料由于其獨特的性能和低廉的價格被廣泛應用于醫用高分子領域。目前，全世界每年消耗的醫用高分子材料約為180萬噸，其中以聚氯乙烯(PVC)塑料應用最多，超過50萬噸。PVC添加增塑劑后變得柔軟、有光澤和彈性、透明而且價格低廉實用，因此應用廣泛。醫療輸注器械所用PVC軟塑料中最常見的增塑劑是鄰苯二甲酸二(2-乙基)己酯(di(2-ethylhexyl) phthalate, DEHP)，它在PVC塑料里添加的含量可達40%～60%。PVC中可能殘留的氯乙烯單體以及塑化劑都會對與其接觸的血液或藥物造成污染，因此尋找取代PVC的高分子材料勢在必行。

材料與血液相接觸時凝血產生的途徑主要有兩個：第一個是由血漿蛋白粘附引起的凝血；第二個是由凝血因子引起的凝血。

1995年，Matyjaszewski教授課題組報道了一種新型的活性聚合方法—原子轉移自由基聚合(atom transfer radical polymerization, ATRP)。

原子轉移自由基聚合機理如圖1所示。

圖1 原子轉移自由基聚合機理

在材料表面接枝的第一步就是要在其表面引入合適的引發基團。梅里菲爾德樹脂[1]、聚(4-乙烯基芐氯)可以直接進行SI-ATRP，此外，聚偏氟乙烯(PVDF)也可以直接用于很多單體的SI-ATRP的接枝[2-3]，但是合成材料中很少有自身存在可以用于ATRP引發的基團。因此進行表面引發ATRP之前要先在材料表面引入引發劑。Fristrup等[4]總結了在聚合物表面引入引發基團的常用方法，如圖2所示。

圖2 有機/聚合物基底上ATRP引發基團的制備

2 常用表征手段

2.1 X-射線表面光電子能譜(XPS)

電子能譜是通過X射線、紫外光和電子束等照射樣品表面。使樣品中原子或分子的電子受到激發釋放出來，根據釋放電子的能量分布，從中獲得所需的能量信息。

2.2 掃描電子顯微鏡(SEM)

SEM是利用樣品表面做光柵掃描的精確聚焦電子束轟擊樣品表面產生各種信號的二次電子、背散射電子、俄歇電子特征射線及不同能量的光子等，利用電磁透鏡系統成像，對固體材料表面進行分析的儀器。SEM主要用于觀測微米及納米范圍內的物質形貌結構，由于分辨率高，成像清晰視野大、可以從幾十倍到幾萬倍連續放大觀察，因此廣泛地應用于材料表面形貌研究，特別是材料與生物分子間作用的研究。

Yang[5]利用SEM對接枝了直鏈葡萄糖的聚丙烯微孔膜的形貌進行觀測，結果發現隨著接枝率的變化微孔膜的表面形貌發生明顯的變化，孔徑逐漸變小，孔隙率逐漸變低。因此可以通過SEM觀測結果對材料接枝率進行直觀地認識。

Lin等[6]通過SEM對聚乙烯及磺酸基團改性材料表面血小板形貌進行了研究，發現隨著血小板與材料之間的粘附、激活程度不同血小板可以呈現出五種不同的形態，分別是圓盤形、部分偽足化、完全偽足化、部分鋪展和完全鋪展態。

2.3 原子力探針顯微鏡(AFM)

原子力顯微鏡(AFM)是利用一個微小探針檢測樣品表面和微型力敏感元件(原子力針)之間微弱的原子間相互作用力，研究材料表面結構和性質的測試儀器。自20世紀80年代第一臺原子力顯微鏡出現至今，其檢測精度、靈敏性有了大幅度地提高，目前已經廣泛應用到生物材料界面相關領域。如Feng等[7]將MPC用表面引發ATRP和引發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和鏈長為5～200個單體單元的接枝樣品。并用AFM觀測到接枝密度和接枝鏈長不同對材料表面形態的影響，以及這種表面形態不同對其血液相容性的影響，其研究發現，在pH為7.4的TBS緩沖溶液中測定其纖維蛋白原的吸附量，結果發現隨著接枝密度和接枝鏈長的增加，當接枝密度≥0.29 chains/cm2和鏈長≥100 units時蛋白質吸附量可以降低到10 ng/cm2以下，而未經改性的硅片的吸附量為570 ng/cm2。同時他們還發現纖維蛋白原的吸附對接枝密度的依賴性比接枝鏈長大，接枝密度增大使材料接枝后表面形態由蘑菇狀變為刷子狀。

2.4 表面等離子體共振儀(SPR)

表面等離子體共振儀是一種基于物理光學原理的新型生化分析系統，SPR 技術作為一種表面反應的生物傳感技術，具有很重要的生化分析能力，可用于無標記實時監測許多種類生物分子之間的反應。SPR 生化分析技術已成為直接實時觀測生物分子間相互作用的主導技術。

Cho等[8]將3-(甲基丙烯酰胺基)丙基-二甲基(3-磺酸)氫氧化銨(MPDSAH)用ATRP引發接枝到金的表面，用SPR測定了接枝后樣品和未接枝樣品蛋白質(溶菌酶、纖維蛋白原、牛血清白蛋白和核糖核酸酶A)吸附情況的不同。綜合四種模型蛋白的SPR數據，他們發現接枝了P(MPDSAH)的表面對非特異性蛋白質吸附的抑制可以與接枝了PEO表面相媲美，比接枝兩性離子—磷酰膽堿類的膜表面更能抗蛋白質吸附。

2.5 雙偏極化振干涉儀(DPI)

利用DPI技術可以實時在線監測蛋白質在界面上吸附過程中的細節，并得到吸附在表面的蛋白質密度、厚度和干質量隨時間的變化信息，從而獲得更精準的信息以揭示界面分子結構、功能以及相互作用過程中分子構象變化。DPI對于固/液界面上能夠引起界面層厚度、密度變化的相互作用和生物分子結構功能的研究有著傳統結構和表面分析技術無法比擬的動態、精確測量能力。但DPI由于采用的是消逝波的原理，因此只能探測到樣品表面100 nm以內的信息。所以DPI對測試的樣品要求較高，如：厚度、均勻性與芯片的結合力等都有要求，即DPI的測試樣品有一定的局限性。

3 結語

血液相容性材料制備完成后的表面性能的表征是其關鍵步驟，實時在線的檢測儀器及其相應的表征方法在血液相容性的領域得到了廣泛的應用，通過以上表征手段可以有效評價改性材料與血液直接接觸后是否引發血小板聚集、凝血及血栓形成和溶血現象等問題，推進材料的凝血機制研究。