生物医用高分子的表面改性

1、高分子材料表面与界面课程论文生物医用高分子材料的表面改性综述摘要 生物医用高分子材料因其各种优良的性能在当前生物医药领域占有举足轻重的作用,而生物相容性是生物医用高分子材料必须具备的优良特性,是材料产品成功应用的关键目前,改善生物医用高分子的生物相容性主要通过对其进行表面改性,以达到能够与生物体相适应的要求,本文主要概述了生物医用高分子的生物相容性以及相关的表面改性技术关键词 生物医用高分子材料 生物相容性 表面改性引文 随着现代医疗技术的不断发展,各种新型医疗材料得到了巨大的发展,其中,生物医用高分子材料更是得到了非常广泛的应用,但同时,也有其自身的不足,主要是当合成材料植入机体内,细胞膜表

2、面的受体会寻找与之接触材料表面所提供的信号,以区别自体或异体,即免疫应答反应未经表面改性的医用高分子材料生物相容性差,使得机体产生强烈的免疫排斥反应,从而导致移植手术失败因此,生物医用高分子材料必须具备以下优良的性能:与生物体器官细胞器组织细胞及生物大分子高度相容,无毒性、无致癌性无热原反应,对机体组织血液免疫等系统无不良反应等而这些性能要求都要通过对生物医用高分子材料表面进行一定的改性才能达到，因此,生物医用高分子表面改性技术成为当前研究的一个热点1. 生物医用高分子材料表面的生物相容性生物相容性是生物医用材料与人体之间相互作用产生各种复杂的生物、物理、化学反应,以及人体对这些反应的忍受程度

3、。植入人体的生物医用材料及各种人工器官、医用辅助装置等医疗器械,必须对人体无毒性、无致敏性、无刺激性、无遗传毒性和无致癌性,对人体组织、血液、免疫等系统不产生不良反应。生物相容性可简单地概括为:活体与材料之间的相互关系,主要涉及组织相容性、血液相容性和细胞相容性 李世普.生物医用材料导论m.武汉:武汉工业大学出版社,2000:29-34.。1.1 组织相容性组织相容性指材料与生物活体组织及体液接触后,不会致使细胞组织的功能下降,不会发生炎症癌变以及生物排异反应等合成高分子生物材料的主要缺点是往往含有可游离的有毒物质或在与生物组织接触过程中逐步降解产生有毒物质,长期植入后出现异物反应组织相容性要

4、求材料无毒、不损伤生物体组织没有抗原性和致癌性等一般可通过对材料的选择和改性来解决组织相容性问题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内血液形成血栓的能力，降低或消除生物材料破坏血液中的红细胞而导致的溶血现象，或因材料本身所致的血小板功能下降、白细胞暂时性减少和功能下降以及补体激活等血液生理功能的影响 郭海霞,梁成浩.生物材料血液相容性研究进展j.上海生物医学工程 2001,22(3):44-48所以，血液相容性材料的改性工作主要通过改进材料表面的合成设计，以及对不同表面结构的修饰来完成1.3 细胞相容性生物医用高分子材料的细胞相容性主要是研究材料对细胞生长附着增殖和代谢方

5、面的影响,是评价高分子生物材料生物相容性的一项重要内容。而细胞毒性作用是考察材料细胞相容性的重要因素,主要表现在植入材料对细胞增殖细胞周期细胞凋亡以及胞内蛋白表达等方面的影响 梅建国. 生物医用高分子材料的生物相容性及其表面改性技术j. 材料导报, 2014,10,（10）:139-142,因此,对这些方面的研究是成功合成具有细胞相容性的生物高分子具有重要意义2 生物医用高分子表面改性2.1 表面涂层技术表面涂层技术是生物医用材料表面改性的一类常用技术,主要通过在高分子材料表面增加抗凝血涂层,钝化敏感的生物材料表面,使血液不能直接与之接触,从而有效提高材料的生物相容性白蛋白不仅能减少血小板的黏

6、附和聚集,还可降低纤维蛋白原和血浆蛋白的吸附。因此,预先在生物材料表面涂覆一层白蛋白或用白蛋白改性的物质成分可显著提高材料的抗凝血性能4但是，涂层与材料之间的粘附作用，主要依赖氢键、范德华力等物理作用来维系，这也导致涂层与基材表面的粘合力较弱，涂层稳定性较差，特别是一些易脱落、易变形的医疗器件，会使涂层从基材表面脱落。而一些涂层自身由生物降解性物质组成，易为机体组织降解、吸收，这些均会影响材料的稳定性和使用效果。尽管如此，表面涂层技术以其设备简单、易于操作、均一性好等其他方法所不具备的特点和优势，在生物材料表面改性过程中常被优先考虑。2.2表面接枝改性技术 表面接枝改性是通过接枝亲水基团或疏水

7、基团来改善血液相容性，是提高生物材料抗凝血性的一条重要途径。这种方法构建的表层与基材结合牢固，不易脱落，从而保证了生物材料良好的稳定性。目前，关于高分子生物材料表面接枝技术的研究主要集中在接枝方法和接枝表面的抗凝血性上，前者是寻找材料表面产生接枝活性点的有效方法，而后者主要是通过接枝单体的设计和选择来研究表面结构、性质的改变对抗凝血性的影响。表面接枝改性技术可以通过选择不同的单体对同一高分子材料进行改性而使其表面具有截然不同的特性，从而得到许多个性化的生物医用高分子材料 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，表面接枝改性技术在生物医药高分子材料中具有很好的发展前景。2.3等离子体表面改性技术等离子体中的电子、离子、原子、分子等都具有一定的能量,可与材料表面相互作用,产生表面反应,使表面发生物理化学变化而实现表面改性。等离子体表面改性有三种类型等离子体表面处理、等离子体表面聚合及等离子体表面接枝聚合。2.3.1等离子体表面处理等离子体表面处理是

9、将材料置于非聚合性气体中，利用等离子体中的能量粒子、活性物种与材料的表面发生反应，在材料表面产生特定的官能团，改变材料的表面结构，达到对材料进行改性。采用o2等离子体处理聚丙烯中空纤维膜表面，处理后材料表面羰基、烷氧基等极性基团明显增加，其表面自由能得以提高，进而使得材料的溶血率和血小板粘附密度下降 周成飞.医用高分子表面及其血液相容性j.高分子通报,1989,(3):44-48.2.3.2 等离子体表面聚合等离子体表面聚合是将高分子材料置于聚合性气体中，在其表面沉积形成一层较薄的聚合物。等离子体表面聚合具有以下特点 刘鹏,丁建东.等离子体表面改性技术在医用高分子材料领域的应用j.中国医疗器械

10、信息,2005,11(5):39-42.：(a).单体的种类可为多种有机化合物；(b).等离子体聚合物膜为无针孔的薄膜，化学稳定性好、热稳定性及机械强度优良，具有高度交联的网状结构，对基材的粘着性很好；(c).可以调控等离子体聚合物膜的交联度以 及 物理、化学特性；(d).聚合过程中无需使用溶剂，运用方便、灵活。2.3.3等离子体表面接枝聚合 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等离子体接枝聚合是将等离子体作为一种能源基体，对材料表面进行预处理，并在材料表面产生活性自由基，引发功能性单体在材料表面进行热接枝或紫外光接枝。但热接枝需要高温，且耗时较长。紫外光接枝具有反应时间短、反应条件温和的特点，是近年来等离子体表面技术研究的热点。2.4表面仿生修饰技术对生物医用高分子材料进行表面仿生化修饰，使其不被机体视为异物是一种改善血液相容性的理想方法。该法是在材料表面固定生理活性物质（如肝素、水 蛭素、前列腺素等）和溶解血栓的纤溶性活化酶（尿激酶等），使表面具有生物活性，减弱血液与材料表面的相互作用，从而提

12、高抗凝血性。2.4.1 表面肝素化 肝素是最早被认识的天然抗凝血药物，通过抑制凝血酶原的活化，延缓和阻止纤维蛋白网络的形成而阻止凝血，具有很好的抗凝血效果，亦可能会减少导管介入所引起的细菌感染。将肝素固定于医用生物高分子材料表面，是材料的抗凝血性改善的重要途径，采用的方法有物理吸附法和化学偶合法，物理吸附法结合不太牢固，但能够保持肝素的构象不变；化学偶合法的结构稳定，但不易保持肝素的构象，从而使得抗凝血性能降低。2.4.2表面磷脂化细胞膜外表面主要由卵磷脂构成。卵磷脂中的两亲性磷酸胆碱（phosphor-ylcholinepc）基团具有很强的抗凝血活性，含有pc 端基的表面对血细胞呈惰性，不会

13、吸附和激活血小板；另外，pc端基带有等量正、负电荷，亲水性较好，可减弱与蛋白的相互作用，并可逆吸附蛋白，因此，被吸附的蛋白能购保持其自然构象。改善材料的血液相容性的有效方法是在医用材料中引入磷酸胆碱基团。2.4.3表面内皮化 内皮细胞固定法生物医用高分子材料由于接触到的生物体系成分（如体液、酶、细胞、自由基等）复杂，生物学环境极其复杂，仅仅依靠表面修饰很难使其血液相容性得到很大的改善。研究者发现改善血液相容性的重要途径是通过应用组织工程技术在材料表面原位培养人体内皮细胞。血管内皮细胞是体内新陈代谢十分活跃的内分泌器官。通过血管内皮细胞的物理屏障作用及调节维持凝血因子和抗凝血因子之间的动态平衡，

14、可使血液正常流动，而不发生凝血。目前，改善材料血液相容性的理想方法是在生物医用高分子材料表面种植、培养血管内皮细胞，但直接将内皮细胞种植在基质材料表面不仅增殖速度慢，而且容易脱落分离。因此，通过共价键结合作用可将内皮细胞固定在材料表面，然后再在其上种植和培养内皮细胞。2.5光化学固定法 光化学固定法是在紫外光或可见光（200800nm）照射下，带有双官能团（热活性基团和光活性基团）的光偶联剂将含生物活性成分的化合物分子偶联到材料表面。偶联途径有两种，一是先将目标分子与光偶联剂进行化学反应，生成有光活性基团的衍生物，然后进行光化学反应使目标分子共价偶联到高分子材料表面。另外，也可先用光偶联剂对材

15、料表面进行光化学处理，再通过光偶联剂与目标分子生反应 xin w,li-hong l,olof r,et al.engineering nanomaterialsurfaces for biomedical applicationsj.exp biol med,2009,234(10):1128。在生物医用高分子材料表面改性中，前者一般更为常用。在生物医用高分子材料改性领域，光化学固定法有着其他方法不具备的特点和优势。该法不影响材料的本体性质，不需要复杂的仪器和苛刻的工艺条件，操作简便，反应迅速，成本较低 左文耀,冯亚凯,张世锋.光固定法改善医用高分子材料血液相容性j.材料导报,2005,19(9):105-107.。而且，材料表面不需要反应性官能基团，能使材料表面处于高度有序状态，抗凝血性更显著。此法通用性较强，在常规生