改善生物医用高分子膜表面血液相容性的PC技术

改善生物医用高分子膜表面血液相容性的PC技术 改善生物医用高分子膜表面血液相容性的 PC技术 第26卷第3期 2006年6月 膜科学与技术 ^E^—?3RAr,fESCIENCE,iD1,】C}丑0GY Vo1.26No.3 Jun.2006 文章编号:1007—8924(2006)03—0090—05 改善生物医用高分子膜表面血液相容性的PC技术 王丽红,陈欢林 (浙江大学材料与化工学院,杭州310027) 摘要:为提供解决生物材料血液相容性的有效途径,介绍了起源于细胞膜模拟思想的磷酰 胆碱(PC,phosphorylcholine)技术,以及用PC技术来改善生物医用高分子膜表面血液相容性 的最新方法,包括属于物理方法的共混改性,表面涂层,属于化学方法的表面接枝,半贯穿聚合 物网络.此外,还介绍了两种与PC技术并行的提高生物医用高分子膜血液相容性的方法. 关键词:血液相容性;PC技术;表面改性;高分子膜 中图分类号:QO28.8文献标识码:A 生物医用高分子膜是膜技术在生物医药领域应 用的重要部分,以高分子膜为核心元件的人工肺,人 工肝,人工肾等已经挽救了成千上万生命垂危病人 的生命,随着材料科学和膜技术的进一步发展,高分 子膜在生物医药领域的应用前途将更加广泛.但目 前应用的高分子膜均不是完全血液相容的,因此当 与血液直接接触时会产生凝血现象,临床上只好采 用输入抗凝剂的方法防止血凝.不幸的是,抗凝剂的 使用会给人体带来许多不良后果,因此解决高分子 膜的血液相容性问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 成为了高分子膜在生物医药领 域应用的瓶颈. 解决高分子膜的血液相容性问题有两条有效途 径:一是用完全血液相容的高分子材料制膜,但由于 至今尚未开发出抗凝血的生物材料,此种解决办法 也被束之高阁;另一种方法是对现有的医用高分子 膜改性,增加其血液相容性,由于此种方法在保留原 有膜材料的优良性能的基础上改善了其不良性能, 因此被普遍看好,PC技术就是在此背景下产生的一 种新技术. 1PC技术的起源与发展 PC技术起源于生物膜模拟的思想.众所周知, 血液中细胞的表面是完全抗凝的,如果能在材料表 面人工模拟血液细胞的表面,那么就能解决血液相 容性的问题,这就是生物膜模拟.对血液细胞抗凝性 和细胞膜结构的研究发现,血红细胞只有外表面是 血液相容的,内表面却是凝血性的,这是因为血红细 胞的细胞膜具有不对称的磷脂双分子层结构,外层 磷脂因为含有磷酰胆碱(PC)两性离子的极性头部 而具有抗凝血性,因此,磷酰胆碱在抗凝性方面起着 重要作用.受此思想的启发,Chapman等人于8O年 代中期用磷脂官能团直接把PC基团引入材料表 面,得到了抗凝血性表面-4J,后来人们就把在材 料表面引入PC两性离子改善血液相容性的表面改 性技术称为PC技术.PC技术是一条获得血液相容 生物材料的有效途径,本文下面将介绍PC技术用 于改善生物医用高分子膜的血液相容性研究与发展 状况. 提到PC技术,就不得不提2一甲基丙烯酰基乙 氧化磷酸胆碱(C),因为目前的PC技术多数用 C的共聚物将PC基团引入材料表面的.MPC单 体及其共聚物是7O年代末期Nakabayashi合成的 含有PC官能团的甲基丙烯酸酯5.MPC容易与传 统的甲基丙烯酸酯共聚,这样得到的聚合物是新型 血液相容高分子材料,具有较好的血液相容性,但由 于其机械强度差,不适合作生物医用的高分子膜材 料.然而其中的PC官能团和它容易发生聚合反应 的特性却使得它恰恰适合作为PC技术的原料,PC 收稿日期:2004—09—15;修改稿收到日期:2005—11—02 作者简介:王丽红(1971一),女,河北唐山人,博士生,研究方向为膜技术在生物领域 的应用,wlh787@sohu.o.m 第3期王丽红等:改善生物医用高分子膜表面血液相容性的PC技术'91" 技术也因此逐步发展起来,成为解决生物医用高分 子膜血液相容性问题的最有前途的方法. 2基于不同表面改性方法的PC技术 本文将以表面改性方法的不同作为分类依据来 介绍近年来研究者们开发出来的用PC技术改善生 物医用高分子膜血液相容性的方法,有物理方法的 共混改性,表面涂层,化学方法的表面接枝,半贯穿 聚合物网络,均取得了较好的效果. 2.1共混改性的PC技术 MPC与甲基丙烯酸烷基酯的共聚物溶解在聚 合物制膜液中制膜,可得到表面具有较好血液相容 性的共混膜.Ishihara_6,用此方法改善了聚砜(PSf) 膜的表面性能.Ishihara等人首先合成了两种MPC 共聚物:MPC与甲基丙烯酸丁酯(BMA)共聚物 PMB;MPC与甲基丙烯酸十二烷基酯(DMA)共聚 物PMD;然后以PMB和PMD作PSf的添加剂,溶 剂蒸发法制备PSf/MPC共聚物混合膜,x光电子能 谱(xPs)分析结果显示,MPC共聚物覆盖了混合膜 表面,且由于MPC共聚物是作为添加剂加入的,对 PSf膜的本体性质如机械强度等并无影响.接着,他 们用血浆蛋白和血小板的吸附实验,比较了PSi膜 和PSfC共聚物共混膜的血液相容性.结果表 明,白蛋白,7一球蛋白,纤维蛋白原,血小板在共混 膜表面吸附量明显少于PSf膜,共混膜表面只有少 量的以分散单一的形态被吸附的纤维蛋白原和血小 板,而在PSf膜表面则可看到以聚集体形态被吸附 的纤维蛋白原和血小板.此外,Ishihara【8,91还合成了 嵌段聚氨酯(SPU)膜的C共聚物添加剂:甲基丙 烯酸环己酯(C删A)共聚物,甲基丙烯酸2一 乙基己酯(MPC/EHM)共聚物;并用溶剂蒸发法 制备了共混膜.XPS表面分析得出,MPC/CHMA位 于SPU混合膜表面,MPC/EHMA却能与SPU成 为均相.但无论哪种共混膜,抗原一抗体免疫分析表 明,白蛋白和纤维蛋白原的吸附明显减少. 醋酸纤维素(CA)膜是应用最为广泛的血液过 滤膜,SangHoYe[toJ也是用制备共混膜的方法提高 了CA膜的血液相容性,为制备血液相容的血液过 滤设备提供了一种新的血液过滤膜.他们用相转化 法制备了MPC和甲基丙烯酸丁酯共聚物(PMB30) 和CA的共混膜,并通过调整制备条件控制共混膜 的机械强度和渗透性.他们发现,由于PMB30的加 入,膜的渗透选择性增加了,且PC基团的加入,使 共混膜具有了良好的抗蛋白质吸附性. Hasegawa"J贝?提出一种更新的方法,用PSf 和MPC组成的聚合物合金制备PSf/M~不对称 中空纤维膜,外层为致密层,内层具有海绵状结构. 由于聚合物合金能实现各组分有利性能的结合,因 此共混膜的机械强度,小分子物质和蛋白质渗透率 都高于传统PSf膜,XPS分析表明MPC集中分布 在膜表面,亲水性,抗蛋白和血小板吸附性能与纯 PSf膜相比都大大改善. 2.2表面涂层的PC技术 当材料与血液接触时,首先与血液发生相互作 用的是材料表面,因此用MPC共聚物涂层覆盖材 料表面不失为一种简易有效的提高血液相容性的好 办法.Lewis和同事【J重点研究了溶剂对甲基丙烯 酸月桂酯(MPC/LMA)共聚物涂层性质的影响,动 态和静态接触角,原子力显微镜(AFM),衰减红外 反射(ATR—FTIR)分析结果说明,溶剂对涂层表面 的亲疏水性影响显着,对血液相容性影响不大.他们 的结论是:用乙醇和水混合体系作溶剂的涂层是亲 水的,单纯乙醇作溶剂的涂层是疏水的,且只有以水 基系统为溶剂才能得到易润湿表面,有涂层材料的 血液相容性远远超出无涂层的相同材料.Ishihara 等人也用涂层方法改性了SPU膜.改性后的膜,与 富血小板血浆接触3h也能有效抑制血小板粘附,涂 层所用MPC共聚物由MPC,BMA,和Mu(含氨酯 键的甲基丙烯酸酯)三者共聚合成【l3]. 1waSa14J贝0采取了另一种制表面层的方法 —— 多层复合膜法,首先用PMD制备表层膜,然后 粘到聚乙烯(PE)多孔基膜上.制成的PMD/PE多 孔复合膜很稳定,在水中浸泡6h未发现表层膜脱 落,当PMD中MPC摩尔分率超过0.2时,复合膜 不仅保持了基膜原有的气体渗透系数,还有效减少 了生物污染.PE膜因其良好的气体渗透率常被用于 制作膜氧合器,因此作者制得的PMD/PE多孔复 合膜有望成为新型氧合器的过滤膜. AipingZhu等人【l5J首次报道了一种新的含PC 基团的聚合物PC,BCS的合成方法,从而发现了一 种新的PC技术涂层PC—BCS.他们用与0一苯甲 酰化壳聚糖分子(B()的活性氢原子直接键合合成 PC—BCS,同时把PC—BCS涂覆到聚氨酯(PU)膜 表面以期改善血液相容性.分析结果表明,PC—BCS 涂层PU膜与无涂层的Pu膜相比,表面无吸附的 细胞物质,凝血时问和血小板吸附分析肯定了PC— ? 92?膜科学与技术第26卷 BCS具有良好的抗凝血性.PC—BCS涂层是与 MPC共聚物涂层完全不同的涂层,其中的壳聚糖衍 生物是近年来发现的生物相容生物材料,因此从涂 层本身的性质来考虑,PC—BCS涂层的抗凝性应略 优于MPC共聚物涂层. 2.3表面接枝的PC技术 前面所述的共混改性和表面涂层属于物理改性 方法,这样引入的PC基团往往不如采用化学法引 入的稳定,因为物理法中PC基团是靠范德华力和 氢键作用力与材料结合的,化学法是用化学键力把 PC基团键合到表面.PC技术常用的化学法是接枝, 但接枝的途径有多种,接枝方法也就多种多样. 2.3.1臭氧活化接枝 臭氧活化接枝是一种新的表面改性方法,此法 将材料置于臭氧中让材料表面生成过氧化物,过氧 化物分解产生自由基,引发单体在表面接枝聚合. JianminXu[163等人用臭氧活化接枝的方法把 MPC接枝到硅橡胶膜上,XPS,ATR—FTIR分析证 明发生了接枝共聚反应,接触角测定表明接枝后膜 亲水性增加,PRP(富血小板血浆)实验和SEM(扫 描电镜)分析表明膜表面血液相容性显着增加,接枝 膜在37?下与PRP接触3h未发现血小板粘附. 实验结果指出,臭氧化是把C接枝到硅橡胶膜 上的有效方法,也将是制备血液接触医疗设备的有 用方法. 2.3.2光引发接枝 光引发接枝是用光照射材料表面产生自由基, 引发单体在表面接枝聚合.Ishihara等_l73着重考察 了接枝单体种类对膜表面血液相容性的影响,在一 定程度上 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 了PC基团在抗凝中的重要作用.利 用光引发聚合技术在PE膜表面接枝了C和一 系列亲水性单体:丙烯酰胺(AAm),N一乙烯基吡咯 烷酮(Vpy),2一甲基丙烯酰基聚乙二醇(MPEG). XPS表明这些单体都在膜表面形成了接枝链,血浆 蛋白的免疫分析表明,与原PE膜相比,MPC和Vpy 接枝膜大大减少了血浆蛋白吸附,而AAm和 MPEG接枝膜对蛋白吸附无影响;在血小板吸附方 面,MPC和Vpy接枝膜有效抑制血小板粘附,AAm 接枝膜并不抑制血小板吸附,因此在表面引入PC 基团可降低基体膜的细胞吸附. Liu[183等人把研究重点放在PC基团和膜表面 之间的间隔基上,他们利用紫外光(UV)照射下引 发的丙烯酸与聚乙烯接枝共聚反应把PC基团引入 PE膜表面,分别选用了不同长度的间隔基乙烯基乙 二醇,丁二醇,聚丙烯基乙二醇和聚四甲基乙二醇, 研究了间隔基长度对PE膜表面血小板相容性的影 响,他们认为位于PC基团和PE膜之间的亲脂间隔 基是影响膜表面血液相容性的一个因素. 上述两项研究工作为探讨影响血液相容性的因 素提供了非常有用的结果,也证明了PC技术改善 血液相容性的有效性. 2.3.3化学接枝 化学接枝是利用材料表面的反应基团与被接枝 的单体或大分子链发生化学反应而实现的表面接 枝.基于此种方法的PC技术多是用引发剂把C 接枝到聚合物膜表面,比较成熟的是用Ce4引发. Ishihara等在这方面做了系列研究【19,203.他们以 Cea为引发剂,水为介质,把MPC接枝到纤维素血 液透析膜上,考察了膜性能在接枝前后的变化.实验 结果表明,接枝后膜的渗透率,拉伸强度无明显变 化,却有效抑制了血小板粘附和活化.近来,也有人 应用此法改性SPU材料【213. 2.4半贯穿聚合物网络(semi—IPN)的PC技术 半贯穿聚合物网络(semi—IPN,semi—inter— penetratingpolymernetwork)也是多组分聚合物的 复合体系,各组分之间是交联在一起的,是非常稳定 的体系,这样的体系可具备单独组分所没有的特殊 性能.MOrimot0【223把此项技术也引入了PC技术 中,在可见光照射下用MPC改性SPU,在SPU膜 表面形成semi—IPN.改性后的膜与未改性膜相比, 以拉伸强度表征的机械特性并未发生变化,但却阻 止了血小板粘附. 3PC技术以外的改善血液相容性方法 PC技术的出发点是生物膜模拟,但没有做到完 全模拟生物细胞膜结构,只是简单模拟了细胞膜外 层磷脂中含量最高的PC两性头部,因此它对血液 相容性的改善是有限的,并未得到完全血液相容的 表面.鉴于此,PC技术以外的改善血液相容性的方 法也在逐步探索中. 3.1表面引入亲水基团 有人认为,材料表面的亲疏水性在血液相容性 上起着重要作用,亲水的表面具有抗凝性,因为亲水 的表面可降低高分子材料和血液间的表面自由能, 提高表面润湿性.YoungChangNh0【23]等用辐射接 枝的方法在聚丙烯(PP)膜表面引入磷酸官能团,把 第3期王丽红等:改善生物医用高分子膜表面血液相容性的PC技术.93? 憎水性表面改性为亲水性表面,与PP膜相比,改性 膜的接触角,蛋白吸附和血小板粘附均大为减小,抗 凝血性能良好.聚丙烯是人工肺的膜材料,其抗凝血 性差,目前实际应用中还没有完全血液相容的人工 肺,此项研究为解决人工肺的凝血问题提供了一条 途径.Higuchi[J把含亲水侧链的聚乙烯吡咯烷酮 (eve)结合到PSf膜表面,也得到了较好的效果. 3.2表面引入磺铵两性离子 具有磺铵两性离子结构的聚合物是一类新的抗 血小板粘附高分子材料,JiangYuan及其同事发现 用磺铵两性离子单体改性的高分子膜表面具有良好 的血液相容性,他们用前述的表面接枝方法,用磺铵 两性离子单体改性了一系列生物医用高分子膜. 对纤维素材料,他们把两性离子单体羟基甜菜 碱和磺基甜菜碱用己二异氰酸酯接枝[25;对多嵌段 聚醚氨酯(SPEU),用臭氧活化法接枝两性离子单 体N,N一二甲基N一(2一甲基丙烯酰氧乙基)N一 (3一磺丙基)铵(DMMSA)【20;以硝酸铈铵为引发 剂接枝N,N一二甲基N一(P一乙烯基苯基)一N一 (3一磺丙基)铵(DMVSA)[27]和MMSA[28].ATR— FTIR,ESCA(电子光谱化学分析)分析结果均肯定 了接枝反应的发生,接触角测定说明膜表面的亲水 性增加了,PRP实验和SEM表明血液相容性大有 改善,血小板粘附大大降低. 巧合的是磺铵两性离子与PC一样,也是两性 离子,可见两性在抗凝机理上的作用不容忽视.因 此,磺氨两性离子改性提高血液相容性的方法也不 失为一种有效的方法,它与PC技术的优劣还有待 于进一步的研究. 4展望 从上述讨论可知,PC技术为改善生物医用高分 子膜的血液相容性开辟了广阔的前景,从总体上来 看,物理的改性方法具有简单且对不同的材料可通 用的优点,因此这方面的研究进展较快,表面涂层和 共混是非常奏效的改性方法,随着研究的深入,其应 用也将更加广泛.但是,由于PC技术目前只是对细 胞膜的简单模拟,因此改性后的表面还不能完全具 有细胞膜的血液相容性,因此PC技术还有很长的 路要走,但是有一点可以肯定,PC技术是对细胞膜 的模拟技术,其发展方向的优势不可替代,随着人们 对凝血机理的逐步掌握,对高分子材料组成和微观 结构控制水平的提高,以及基因技术的飞速发展,在 不远的将来一定能模拟出完全类似生物细胞膜的智 能型生物材料表面,当这样的材料与血液接触时,血 液将不能识别它是不属于生物体本身的异己,会非 常友好地接受它,凝血现象理所当然不会出现. 还要指出的是,血液与生物材料的相互作用是 一 个十分复杂的过程,涉及到材料的表面结构,化 学组成,血浆蛋白和血细胞与材料表面的相互作用 以及血流动力学等等多种因素.迄今为止,虽然人 们对这一作用过程的了解和认识在逐步深入,但仍 有许多问题没有搞清.因此,制备表面完全血液相容 的生物材料,必须依赖高分子科学和基础医学,临床 医学,生物科学等各相关学科的共同努力. 参考文献 [1]HaywardJA,ChapmanD.Biornembranesurfacesasmod— elsforpolymerdesign:thepotentialforhaemocompati— bility[J].Biomaterials,1984,(5):42—135. 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Keywords:hemocompatibility;PCtechnology;surfacemodification;polymermembrane