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

血液相容性主要是研究血液與材料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。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等。盡管聚乙二醇類化合物阻止蛋白質吸附的動力學和熱力學原理仍存在爭議，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。他們的實驗表明當接枝密度增加時，接枝后表面的聚合物形態由蘑菇狀變為刷子狀，并且接枝后表面的潤濕性和干的接枝層的厚度很大程度上依賴于接枝密度。通過多肽吸附和細胞粘附實驗對其抗多肽吸附和細胞粘附性能進行測試，結果發現在低的接枝密度的基底上粘附多肽(GRGDS)的吸附會促進細胞的粘附，同時SPR測試結果和細胞培養實驗結果發現多肽和細胞粘附都只發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)是一類具有磷脂結構的親水化合物，其兩性離子基團部分可以在表面形成水化層，有效降低材料表面蛋白質構象的變化，阻抗蛋白質的吸附。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，與未添加抗凝劑的血液接觸時，仍能抑制蛋白質的吸附和細胞的粘附。用MPC對傳統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行對比試驗，水接觸角實驗表明四種材料各自改性膜的親水性均大幅度地提高。蛋白質吸附實驗研究表明改性材料均具有一定程度的抗蛋白質吸附性能，其中PP-g-PMPC樣品表現出對γ球蛋白和纖維蛋白原最為明顯的抗吸附性能，并認為材料表面能有效地保持蛋白質構型不變，進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。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，驗證了Singh等提出的刷子狀比蘑菇狀表面更抗多肽吸附和細胞粘附的觀點。

2.3 內鹽類

內鹽結構的磺酸甜菜堿(SB)和羧酸甜菜堿(CB)等材料，由于其穩定性更好、容易合成并且也具有良好的血液相容性而受到了關注?；撬崽鸩藟A的結構式如圖1所示。

圖1 磺酸甜菜堿的結構式

江紹毅研究組在利用羧酸甜菜堿材料構建抗蛋白質特異性吸附表面方面做了很多的研究。他們用ATRP引發的方式在金表面引發接枝了一系列的羧酸甜菜堿類似物，通過調控正負價態之間的碳鏈長度，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發現改性材料表面都表現出顯著的抗蛋白質吸附性能。隨著離子強度增加和pH值的降低，改性材料的抗蛋白質吸附能力有微弱的下降，但仍能達到較好的抗蛋白質吸附性能，其中正負離子之間含有四個碳原子的羧酸甜菜堿抗蛋白質吸附能力降低較大，可以認為是由于正負離子距離較遠，抗電解質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。他們的實驗還發現接枝的P(MPDSAH)聚合物刷可以達到像PEG接枝表面的的抗污效果。而且對蛋白質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作為模型蛋白質進行了蛋白質吸附試驗，結果發現接枝后的表面的蛋白質吸附量<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二糖單位組成的多糖，具有很強的負電荷。其結構式如圖2所示。

圖2 肝素的結構式

Xu[6]用表面引發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的PEGMA覆蓋層。然后利用ATRP反應后PEGMA末端帶的端基-Cl與肝素反應將肝素接枝上去，這樣得到的肝素接枝量可以達到很高(約14 μg/cm2)。接枝后的表面對蛋白質吸附和血小板粘附有顯著地抑制作用，同時呈現出很好的抗凝血性能(血液再鈣化時間約150 min)。他們認為，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境下提供了高的構象自由度。

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、水蛭素等也大量應用于生物醫用領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、接枝輻照時間等能實現對糖類單體的接枝密度的調控。材料表面親水性研究發現直鏈葡萄糖類改性材料具有更低的接觸角。靜態、動態蛋白質(BSA)吸附實驗證明兩種糖類改性材料均具有良好的抗蛋白質吸附性能，其中直鏈糖基化聚丙烯微孔膜具有更強的靜態抗蛋白質吸附能力。另外，通過先固定活性基團再引入葡萄糖類基團到聚丙烯表面以及ATRP引發方式固定糖類單體。對所得最終產物進行了生物性實驗表征，結果均證明利用葡萄糖改性材料表面具有抗蛋白質吸附性能和血液相容性。

3 結語

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生脫落從而對血液造成污染。表面化學接枝的方法相比于其他的改性方法有許多的優點，比如說效果持久，性能穩定且能有效地避免接枝殘留物對血液的危害。在表面改性中，表面化學接枝法制備生物相容性的高分子材料被廣泛應用，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血小板聚集、凝血及血栓形成和溶血現象等問題。