金屬酚醛/兩性離子聚合物涂層聚丙烯補片的制備及其抗蛋白吸附性能

王 茜，喬燕莎，王君碩，李 彥,3，王 璐,3

(1.東華大學 紡織學院，上海 201620；2.東華大學 紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620；3.東華大學 紡織行業生物醫用紡織材料與技術重點實驗室，上海 201620)

人體組織或器官通過薄弱或缺損的部位向外形成突起，稱為疝氣。據流行病學資料統計，疝氣在全球范圍內的發病率高達5%，無張力疝修補術已經成為普外科最常見的手術之一[1-2]。聚丙烯(PP)補片作為臨床使用最廣泛的一類疝修補片[3]，由于其材料本身缺乏足夠的生物相容性，植入人體后會引發過度的異物反應，阻礙組織與血管的正常新生，導致黏連、感染、慢性疼痛等并發癥的發生。據不完全統計，在開放或腹腔鏡腹股溝疝修補術后，約有10%～12%的患者會產生慢性疼痛[4]，植入材料引起的異物反應極大影響了患者的術后愈合。

植入物引起的異物反應可歸納為蛋白質吸附、急性炎癥、慢性炎癥和纖維化包封4個階段[5]。其中，非特異性蛋白吸附被認為是引發機體免疫應答的重要步驟[6]。兩性離子聚合物(ZPs)是一類在同一單體單元中同時包含帶負電荷和帶正電荷基團的親水聚合物。近年來，利用ZPs構建親水防污表面已被證明是降低蛋白質吸附的有效手段，ZPs中的正負電荷通過靜電作用與水分子結合，為蛋白在材料表面的吸附筑成能量壁壘[7]。為實現兩性離子與疏水材料的結合，通常采取可逆加成斷裂鏈轉移[8-10]和原子轉移自由基聚合[11-13]的方式對兩性離子進行表面接枝；然而，上述方式制備過程繁瑣復雜、耗時較長且涉及到引發劑的殘留[14]，因此，亟需一種簡便高效且生物溫和的方式將ZPs與植入式醫療器械的惰性表面相結合。

受茶漬黏附機制的啟發，本文利用單寧酸(TA)與金屬三價鐵離子(Fe3+)的配位作用在PP補片表面經由層層自組裝(LBL)搭建金屬酚醛網絡(MPN)，之后憑借TA與ZPs間的氫鍵和陽離子-π鍵等多重作用，將ZPs——聚羧酸甜菜堿甲基丙烯酸酯(PCBMA)固定在PP補片上，探究涂層補片的抗蛋白吸附性能及細胞毒性。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

材料：聚丙烯(PP)補片，常州市潤源醫療用品科技有限公司；丙酮、三氯化鐵(FeCl3)、三羥甲基氨基甲烷(Tris)、鹽酸(HCl)、過硫酸銨(APS)、亞硫酸氫鈉(SBS)，國藥集團化學試劑有限公司；單寧酸(TA)，文冬化工有限公司；3-((2-(甲基丙烯酰氧)乙基)二甲基銨)丙酸酯(CBMA)，上海易恩化學技術有限公司；磷酸緩沖溶液干粉(PBS)，索萊寶科技有限公司；牛血清白蛋白(BSA)、異硫氰酸熒光素(FITC)、細胞計數試劑盒(CCK-8)，上海翊圣生物科技有限公司。

儀器：DXS-10ACKT型掃描電子顯微鏡，日本日立株式會社；Avance3HD600 MHz型全數字化核磁共振譜儀，瑞士布魯克公司；Spectrum Two型傅里葉變換紅外光譜儀，美國珀金埃爾默股份有限公司；Escalab 250Xi型X射線光電子能譜儀(XPS)、Multiskan Sky型全波長酶標儀，美國賽默飛世爾科技有限公司；OCA15EC型接觸角測量儀，德國Data Physics公司；NANO ZS型Zeta電位及粒徑分析儀，英國馬爾文儀器；YG(B)026G型紡織品多功能強力儀，浙江大榮紡織儀器有限公司。

1.2 涂層聚丙烯補片的制備

1.2.1 單寧酸-金屬酚醛涂層的制備

將PP補片先后置于丙酮和去離子水中，分別使用超聲波清洗15 min，干燥；在60 ℃下將PP補片置于0.3 mol/L APS溶液中水浴處理6 h，將PP補片親水預活化，干燥后待用。

將預活化后的PP補片先浸入10 mg/mL的FeCl3溶液浸泡5 min，清洗干燥，再浸入10 mg/mL的TA溶液中5 min，清洗干燥，以此為1個循環，共循環處理10次；隨后將補片置于Tris-HCl緩沖溶液(0.05 mol/L，pH=8.5)中浸漬30 min。反應結束后，用去離子水充分清洗，干燥，將最終得到的補片記為Fe/TA-PP。

1.2.2 兩性離子聚合物的制備

在0.1 g/mL的CBMA水溶液中加入2%的APS和0.5%的SBS，在室溫下攪拌反應12 h，反應結束后加入乙醇，分離提純得到聚合物PCBMA。

1.2.3 兩性離子聚合物涂層的制備

配制2 mg/mL PCBMA的Tris-HCl(0.05 mol/L，pH=8.5)溶液，將Fe/TA-PP補片浸漬于其中，在37 ℃、60 r/min的恒溫搖床中反應12 h。反應結束后，使用去離子水充分清洗、干燥，所得補片標記為PCBMA-Fe/TA-PP。

1.3 性能測試與表征

1.3.1 微觀形貌觀察

將PP、Fe/TA-PP和PCBMA-Fe/TA-PP補片固定于樣品臺，真空鍍金后在掃描電子顯微鏡(SEM)下對補片單絲表觀形貌進行觀察。

1.3.2 理化性能表征

用氘代水(D2O)溶解PCBMA，采用全數字化核磁共振譜儀對其核磁共振氫譜(1H NMR)進行掃描，評估PCBMA的組成和化學結構；采用X射線光電子能譜儀對PCBMA-Fe/TA-PP的X射線光電子能譜(XPS)進行掃描，采用傅里葉變換紅外光譜儀對PP、Fe/TA-PP和PCBMA-Fe/TA-PP進行傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)掃描分析，表征補片的表面化學組成與結構。

將PP、Fe/TA-PP和PCBMA-Fe/TA-PP固定于接觸角測量儀樣品臺上，采用液滴法測試PP的水接觸角，采用氣泡法測試Fe/TA-PP和PCBMA-Fe/TA-PP的水接觸角，表征其親疏水性。將PP、Fe/TA-PP和PCBMA-Fe/TA-PP固定于Zeta電位及粒徑分析儀樣品臺上，浸沒于示蹤粒子溶液中，對其表面電位進行測試。

1.3.3 力學性能測試

參照ASTM D5035—2011 (R2019)《織物斷裂強力和伸長率的標準試驗方法(條樣法)》對PP和PCBMA-Fe/TA-PP補片進行單軸拉伸測試。分別沿橫向與縱向裁剪成25 mm×75 mm的條形試樣，標距設為50 mm，在樣品條的夾持方向與受力方向平行時，以200 mm/min的速度拉伸試樣直至樣品斷裂。若測試過程中樣品條滑移或在夾頭夾持處發生斷裂，則該數據無效。每個方向重復測試5次，取平均值。

1.3.4 抗蛋白吸附性能測試

選用BSA模擬補片體內使用環境中的蛋白質，測試補片的抗蛋白吸附性能。將PP、Fe/TA-PP和PCBMA-Fe/TA-PP補片裁剪成1 cm×1 cm規格，分別浸沒于10 mg/mL的BSA溶液中，溶劑為PBS溶液(0.01 mol/L，pH=7.4)，將樣品浸泡12 h后用去離子水清洗，采用1 mg/mL FITC熒光標記BSA，避光標記4 h后，用PBS溶液(0.01 mol/L，pH=7.4)清洗、干燥，在倒置熒光顯微鏡下觀察蛋白質的吸附情況。

1.3.5 細胞毒性測試

采用CCK-8測試PCBMA-Fe/TA-PP補片的細胞毒性。以1×104個/孔的密度將小鼠成纖維細胞(L929)接種在24孔細胞培養板中，穩定貼附后加入滅菌的PP和PCBMA-Fe/TA-PP補片，設置空白對照樣，每個樣品設置3個平行樣。培養24 h后，將CCK-8染液加入24孔板孵育2 h，測試其在450 nm波長下的吸光度值，取平均值(l1、l2分別為樣品和對照樣品的吸光度值)。利用下式計算相對細胞活力：

R=l1/l2×100%

2 結果與討論

2.1 補片涂層的微觀形貌分析

圖1示出補片在SEM下的微觀形貌照片。由圖1(a) 和(b)可以看出，由Fe3+和TA構成的MPN層在PP單絲上呈現均勻涂覆，因而PP與Fe/TA-PP在形貌上未表現出顯著差異。通過對涂層形成過程進行分析可知，Fe3+與TA的配位過程受到反應環境的影響。一方面，MPN是由TA解離后產生的氧負離子與Fe3+發生配位反應而形成的，溶液pH值會影響TA的解離程度，不同的解離程度會生成不同含量的氧負離子，其與Fe3+的配比差異過大就會導致TA-Fe3+顆粒狀聚集體的出現，適宜的酸堿環境可促進MPN網絡的均勻形成；另一方面，若基材與TA和Fe3+的混合溶液共孵育，TA會瞬間聚集在Fe3+周圍，生成的配合物沉積到基材上會呈現出明顯的顆粒狀凸起，而層層自組裝的多步組裝法可將基材表面未發生配位反應的TA和Fe3+洗脫，避免了TA-Fe3+聚集體的形成，使得配合物均勻地分布于基材表面[15]，故據此推斷，補片單絲表面的MPN涂層所具有的均勻形態主要歸因于其分子級組裝結構。

圖2示出CBMA聚合反應產物的核磁共振氫譜圖。可知，其化學位移(δ)在1.98處出現了CBMA聚合后產生的2H峰。PCBMA沉積固定后，補片單絲的表觀形貌仍呈現出均勻的涂層狀(見圖1(c))，此時是聚合物將單絲包覆，PCBMA與MPN層通過非共價鍵力結合，具有一定黏度的聚合物均勻鋪展在補片單絲表面，單絲交界處未顯示出過度沉積。這種溫和的二步沉積涂層方式可較為完整地保留PP補片的原始形貌。

圖2 PCBMA的核磁共振氫譜圖Fig.2 1H NMR spectra of PCBMA

2.2 表面理化性能分析

為進一步驗證功能性涂層在PP表面的成功構建，對補片的元素組成進行表征，結果如圖3所示。可以看出，在PCBMA-Fe/TA-PP的XPS圖像中出現了LBL層的Fe2s峰以及PCBMA涂層的N1s峰，證明了金屬酚醛/兩性離子聚合物涂層疝修補片的成功制備。

圖3 PCBMA-Fe/TA-PP的X射線光電子能譜圖Fig.3 XPS spectra of PCBMA-Fe/TA-PP

圖4 PP、Fe/TA-PP和PCBMA-Fe/TA-PP的紅外光譜圖Fig.4 FT-IR spectra of PP,Fe/TA-PP and PCBMA-Fe/TA-PP

TA中的酚羥基一方面能通過氫鍵和靜電力等多重作用與基材黏合；另一方面，也能夠為基材帶來更好的表面潤濕性[17]。圖5示出處理前后補片水接觸角的變化。可知：MPN將疏水的PP表面改性為親水表面；PCBMA作為ZPs，其聚合物鏈中的正負離子能夠與水分子在靜電作用力下結合，形成致密的水合層[18]，進一步改善了補片的表面浸潤性，使補片的水接觸角降至37°。

圖5 改性前后補片的水接觸角變化Fig.5 Change in water contact angle of meshes before and after modification

圖6示出處理前后補片的表面電位變化。原始PP補片表面呈電負性，Fe/TA-PP補片的表面電位由原始的-55.7 mV變為-47.9 mV，Fe/TA涂層提高了PP補片的表面電位，這歸因于Fe3+的存在；最終，PCBMA-Fe/TA-PP補片的表面電位提高至-5.14 mV，這是因為PCBMA的電中性能夠中和補片表面的一部分電荷。

圖6 改性前后補片的表面Zeta電位變化Fig.6 Change in surface Zeta potential of meshes before and after modification

2.3 力學性能分析

表1示出改性前后補片的力學性能指標。研究表明：人體腹壁可承受的最大張力為16 N/cm；臨床上通常要求合成補片力學強度大于 32 N/cm[5]。涂層在PP單絲表面的附著可能會對補片的力學性能產生影響，如果涂層的加入會顯著改變補片的力學強度，那么以犧牲補片力學性能換取補片抗蛋白吸附性能的方式是得不償失的，因此，對改性前后補片的單向拉伸性能進行了分析。

表1 改性前后補片的力學性能Tab.1 Mechanical properties of meshes before and after modification

對表1力學性能結果進行顯著性分析可知，制備PCBMA-Fe/TA涂層的二步沉積法并沒有使補片單向拉伸性能產生顯著性變化；同時，PCBMA-Fe/TA-PP補片仍然滿足疝修補片的臨床力學需求，可為腹壁提供較好的力學支撐。利用這種二步沉積法制備PCBMA-Fe/TA涂層的方式是一種較為溫和的改性方式。

2.4 抗蛋白吸附性能分析

據資料顯示，白蛋白是血液中最豐富的血漿蛋白，在與補片表面的初始相互作用中起主導作用[19]，因此，本文選用FITC標記的BSA對補片的蛋白吸附性能進行定性觀察結果見圖7。圖中白色高亮處為吸附的BSA。由圖可以看出：原始PP補片表面出現了大面積的熒光，吸附了較多蛋白質；而PCBMA-Fe/TA-PP補片表面幾乎沒有熒光標記。研究表明，親/疏水表面都能發生蛋白質的非特異性吸附，但疏水表面與蛋白質的結合力更強、黏附牢度更大；通常認為親水性表面可賦予材料更優異的抗生物污染性能[20]。補片改性后，Fe/TA基底賦予了補片一定的親水性，加之ZPs超強的表面水合能力，PCBMA使得改性補片表面形成了致密水合層，增強了補片的防污性能，減少了補片表面吸附的BSA，因此改性后的補片呈現出幾乎沒有熒光標記的狀態。

圖7 BSA-FITC標記的補片熒光圖像Fig.7 Fluorescence images labeled by BSA-FITC of meshes

2.5 細胞毒性分析

通過小鼠成纖維細胞(L929)與材料共培養 24 h 的狀況可反映改性補片的細胞毒性。表2示出L929在與補片材料共培養24 h后使用CCK-8測試的吸光度。計算可得，PP和PCBMA-Fe/TA-PP補片的相對細胞活力分別約為96%和89%，結果表明，PCBMA-Fe/TA涂層補片不具有細胞毒性。

表2 小鼠成纖維細胞在24 h的CCK-8吸光度Tab.2 CCK-8 absorbance value of L929 at 24 h

3 結 論

1)通過Fe3+和單寧酸(TA)層層自組裝，在聚丙烯(PP)補片表面構建了金屬酚醛網絡(MPN)，利用分子間作用力在其上固載聚羧酸甜菜堿甲基丙烯酸酯(PCBMA)，通過一種簡便高效的方式制備了PCBMA-Fe/TA-PP補片。測試結果表明，二步沉積法可成功實現惰性PP與親水性兩性離子聚合物的有效結合。

2)PCBMA-Fe/TA涂層在保留了補片力學強度的基礎上，將疏水PP表面的水接觸角降低至37°，使補片呈現出優異的抗蛋白吸附效果。

3)細胞毒性測試結果表明，這種抗生物污染表面具有良好的生物相容性，有望被應用于醫療器械領域的抗污改性。

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