脂肪族聚酯類生物材料表面仿生磷脂化改性技術的研究*

張曉敏，鄧金

（1.河北北方學院附屬第一醫院，河北 張家口075000；2.河北北方學院理學院，河北張家口075000）

1 引 言

脂肪族聚酯類生物材料作為新型高科技功能材料，可診斷并治療人體疾病，并對損傷的組織和器官進行調節和替換，以提升其功能[1]。由于脂肪族聚酯類生物材料置入人體過程中，材料表面最先與人體組織接觸，因此，材料表面的生物親水性、生物相容性和抗污染性對是否為人體所接受起決定性作用[2]。為提高脂肪族聚酯類生物材料的生物相容性，通常會改變材料自身性質[3]，因此，研究一種高效的脂肪族聚酯類生物材料表面改性技術尤為重要。

當前在改變脂肪族聚酯類生物材料表面性能時，多采用等離子體改性技術[4]，將脂肪族聚酯類生物材料置于存在非聚合性氣氛的等離子體腔內，利用等離子體能量粒子使脂肪族聚酯類生物材料表面分子激發、電離、斷鍵等，進而產生新的拓撲結構。然而這類技術難度較高，提升材料表面性能較差[5-6]。本研究提出脂肪族聚酯類生物材料表面仿生磷脂化改性技術，以提升脂肪族聚酯類生物材料表面生物相容性。

2 脂肪族聚酯類生物材料表面仿生磷脂化改性

以丙烯腈為例，具體說明仿生磷脂化改性技術：采用水相沉淀聚合法共聚丙烯腈和甲基丙烯酸羥乙酯產生丙烯腈共聚物[7]，將丙烯腈共聚物和2-氯-2-氧-1，3，2-二氧磷雜環戊烷反應后，再與三甲胺進行反應，實現丙烯腈共聚物表面仿生磷脂化。

2.1 實驗材料

脂肪族聚酯類生物材料表面仿生磷脂化改性過程中所需要的主要儀器設備見表1。

表1 主要儀器設備Table 1 Main instruments and equipment

脂肪族聚酯類生物材料表面仿生磷脂化改性過程中所需要的主要化學原材料見表2。

2.2 磷脂酰膽堿合成

2.2.1 2-氯-1，3，2-二氧磷雜環戊烷合成 選取三口燒瓶，容量為1 000 mL。將含CaCl2干燥劑的冷凝回流管、攪拌器以及滴液漏斗固定在燒瓶上。在燒瓶中分別加入純化的二氯甲烷與三氯化磷，分別為450、200 mL，采用攪拌器攪拌。攪拌中逐漸滴加無水乙二醇，體積約為126 mL，產生大量氯化氫氣體。為清除殘留的二氯甲烷[8]，原料置入反應后立即對燒瓶內反應物實施蒸餾，并對蒸餾后燒瓶中形成物實施減壓蒸餾[9]，獲取46～46.5℃/15 mm-Hg的2-氯-1，3，2-二氧磷雜環戊烷。

表2 主要化學原材料Table 2 Main chemical raw materials

2.2.2 2-氯-2-氧-1，3，2-二氧化磷雜環戊烷合成 選取三口燒瓶，容量為500 mL。在燒瓶中加入2-氯-1，3，2-二氧磷雜環戊烷和苯溶液，加入量分別為45 g和90 mL，在燒瓶內輸入干燥氧氣，6.5 h后結束。為去除殘留的苯溶液，對燒瓶內反應物實施蒸餾，并對蒸餾后燒瓶中形成物實施減壓蒸餾，獲取70℃/0.3 mmHg的2-氯 -2-氧 -1，3，2-二氧化磷雜環戊烷。

2.2.3 2-（甲基丙烯酰氧）乙基-2-氧 -1，3，2-二氧化磷雜環戊烷合成 選取三口燒瓶，容量為500 mL。將溫度計、干燥管以及滴液漏斗固定在燒瓶上。在燒瓶中加入四氫呋喃、甲基丙烯酸羥乙酯以及三乙胺，加入量分別為180 mL、18 g和14 g，對三種原料實施攪拌，降低反應溶液溫度至-20℃。在90 mL的干燥四氫呋喃內溶入約20 g 2-氯-2-氧-1，3，2-二氧化磷雜環戊烷，將混合物逐漸滴加至燒瓶中反應液內，保持攪拌狀態直至滴加結束，并保持反應狀態3 h，期間溫度維持在-25℃左右。清除燒瓶內產生的三乙胺鹽和殘留的四氫呋喃[10]，獲取透明粘稠的2-（甲基丙烯酰氧）乙基-2-氧-1，3，2-二氧化磷雜環戊烷。

2.2.4 [2-（甲基丙烯酰氧）乙基]磷脂磷脂酰膽堿合成 選取壓力瓶，容量為200 mL。將2-（甲基丙烯酰氧）乙基-2-氧-1，3，2-二氧化磷雜環戊烷以及純化后的乙腈置入壓力瓶內，加入量分別為4.5 g和27 mL。將溫度設置為-20℃后，在壓力瓶中加入無水三甲胺1.8 mL，并快速將瓶封口。將溫度提升至60℃并持續14.5 h，然后將溫度再次降至-20℃，使壓力瓶內生成物結晶，獲取白色沉淀物。將白色沉淀物置入干燥氬氣內進行過濾，使用乙腈循環處理[11]，最終獲取磷脂單體[2-（甲基丙烯酰氧）乙基]磷脂磷脂酰膽堿。

2.3 磷脂磷脂酰膽堿共聚物合成

選取三口燒瓶，容量為1 000 mL。在燒瓶內依次置入固定量的丙烯腈、[2-（甲基丙烯酰氧）乙基]磷脂磷脂酰膽堿和水。將氮氣通入燒瓶，保持20 min，將溫度設置為反應溫度后，將氧化還原引發劑置入燒瓶內，在氮氣保護下開始攪拌形成共聚合反應。反應結束后，清除沉淀物，將生成物在去離子水和乙醇中清洗數次。為清除未反應的單體和可溶性均聚物[12]，采用去離子水提純生成物，并在60℃下抽真空干燥，獲取丙烯腈/[2-（甲基丙烯酰氧）乙基]磷脂磷脂酰膽堿共聚物（PANCMPC）。經實驗證明，PANCMPC具有較好的親水性、抗蛋白質吸附性以及血液相容性。

2.4 PANCMPC與丙烯腈共聚物合成

將2.3節中的[2-（甲基丙烯酰氧）乙基]磷脂磷脂酰膽堿替換為PANCMPC，重復共聚過程，獲取PANCMPC與丙烯腈共聚物PANCHEMA。

2.5 仿生磷脂化改性PLCANCP的合成

為將存在生物特性的磷脂功能基團導入共聚物分子側鏈上[13]，將PANCHEMA與2-氯-2-氧-1，3，2-二氧磷雜環戊烷實施反應，然后和三甲胺實施開環反應，生成仿生磷脂化改性PLCANCP，其生成路徑見圖1。

生成仿生磷脂化改性丙烯腈共聚物過程中，以共聚物PANCHEMA與2-氯 -2-氧 -1，3，2-二氧磷雜環戊烷實施反應能夠緩和反應過程，同時使用過量的2-氯-2-氧-1，3，2-二氧磷雜環戊烷和三甲胺，可使共聚物分子側鏈上的羥基和2-氯-2-氧-1，3，2-二氧磷雜環戊烷整體反應，全部轉換為磷脂功能基團[14]。

2.6 性能評價方法設計

對仿生磷脂化改性后脂肪族聚酯類生物材料表面性能評價，主要是對其生物相容性進行評價，所使用的主要參數為親水量與蛋白質截留率[15]。式（1）為親水性計算公式：

式中，Y、B和Δt分別表示透過液體積、有效表面面積和操作時間，單位分別是L、m2和h。

式（2）為相容性計算公式：

式中，xp表示透過液內牛血清白蛋白濃度，xf表示原料液內牛血清白蛋白濃度，兩者單位均為mg/mL。

仿生磷脂化改性后脂肪族聚酯類生物材料粘附比EFE進行分析，計算公式為：

式中，Jw1表示初始水通量，Jw2表示材料表面清洗后的水通量，通過式（1）可獲取Jw1、Jw2，進而求出EFE。

3 實驗分析

3.1 親水性對比分析

為測試本研究提出的脂肪族聚酯類生物材料表面仿生磷脂化改性技術的清水性，分別采用本研究技術、基于等離子體的脂肪族聚酯類生物材料表面仿生磷脂化改性技術和基于物理手段的脂肪族聚酯類生物材料表面仿生磷脂化改性技術對脂肪族聚酯類生物材料表面進行仿生磷脂化改性實驗，對比不同技術仿生磷脂化改性后脂肪族聚酯類生物材料表面水接觸角隨時間的變化情況，結果見圖2。

由圖2可知，三種仿生磷脂化改性技術在初始階段水接觸角差距較小，均維持在57%左右。隨著時間的延長，三種仿生磷脂化改性技術的水接觸角均開始出現不同程度的下降趨勢。當時間達到30 min時，本研究技術改性后的脂肪族聚酯類生物材料表面水接觸角下降趨勢最為顯著，達到15%左右；基于等離子體的仿生磷脂化改性技術水接觸角下降趨勢低于本研究技術，達到38%左右；基于物理手段的仿生磷脂化改性技術的水接觸角下降趨勢最小，僅達到42%。實驗結果表明，三種仿生磷脂化改性技術中，本研究技術的親水性最好，是由于本研究技術中引入了磷脂基團，提高了脂肪族聚酯類生物材料表面的親水性。

圖2 不同技術的親水性對比結果Fig 2 Hydrophilicity of different technologies

3.2 生物相容性對比分析

為測試本研究技術對脂肪族聚酯類生物材料表面仿生磷脂化改性后，材料的生物相容性，基于3.1節中的實驗過程，對比三種仿生磷脂化改性技術后材料的生物相容性，結果見圖3。

圖3 不同技術改性后，材料的生物相容性對比結果Fig 3 Biocompatibility of different techniques

由圖3可知，當牛血清白蛋白濃度逐漸提升時，三種仿生磷脂化改性技術對蛋白質的吸收性能均存在不同程度上的提升。本研究技術仿生磷脂化改性后的脂肪族聚酯類生物材料表面與其他兩種技術相比，對牛血清白蛋白的吸收量最低。當牛血清白蛋白的濃度達到4.0 g/L時，本研究技術的牛血清白蛋白吸收量達到最高，為10.46μg/cm2，而基于等離子體的仿生磷脂化改性技術對牛血清白蛋白吸收量為26.66μg/cm2，基于物理手段的仿生磷脂化改性技術對牛血清白蛋白吸收量為32.90μg/cm2。

3.3 材料粘附比分析

為測試本研究技術細胞粘附性能，基于3.1節中的實驗過程，對比三種仿生磷脂化改性技術后材料的細胞粘附結果，見圖4。

圖4 不同技術的材料粘附對比結果Fig 4 Material adhesion contrast results of different technologies

由圖4可知，三種仿生磷脂化改性技術的細胞粘附量具有較大的差距。其中采用物理手段的仿生磷脂化改性技術的聚酯類生物材料表面每平方毫米的細胞粘附量達到730個以上；而采用等離子體的仿生磷脂化改性技術后，材料表面每平方毫米的細胞粘附量為440個左右；采用本研究技術后的材料表面每平方毫米的細胞粘附量接近180個。采用本研究技術后材料表面每平方毫米的細胞粘附量不足采用物理手段的仿生磷脂化改性技術細胞粘附量的四分之一，說明本研究技術對提升脂肪族聚酯類生物材料表面親水性與生物相容性的幫助更大。

4 結論

為提升脂肪族聚酯類生物材料表面性能，對其進行仿生磷脂化改性尤為重要。本研究提出脂肪族聚酯類生物材料表面仿生磷脂化改性技術。實驗結果表明，采用本研究技術對脂肪族聚酯類生物材料表面仿生磷脂化改性后，材料表面親水性、生物相容性及材料粘附比均有所提升。