段英伎，劉袖洞

（大連大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧大連 116622）

生物醫(yī)用材料是能夠修復(fù)、替換或增強(qiáng)人體受損組織或器官功能的一類特殊材料，其需要進(jìn)入人體才能發(fā)揮功能，如藥物載體材料、植入材料等，這就要求它們要與人體具有很好的生物相容性，不引起人體組織的免疫排斥。但是，這些材料作為異物進(jìn)入人體，很難與體內(nèi)分子、細(xì)胞、組織和器官等完全適應(yīng)?？沟鞍踪|(zhì)粘附作用是指有效抵抗蛋白質(zhì)的非特異性粘附，它會(huì)直接受到多種復(fù)雜因素的影響，包括材料的物理化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)（親疏水性、帶電官能團(tuán)的分布等）、蛋白質(zhì)本身化學(xué)性質(zhì)以及位于蛋白質(zhì)與固體材料界面的水化層等諸多因素[1]。其中，影響蛋白質(zhì)粘附的首要因素就是材料表面的親疏水性。

1 抗蛋白質(zhì)粘附的機(jī)理

1.1 空間排斥理論

當(dāng)一個(gè)蛋白質(zhì)分子接近一種材料的表面時(shí)，長(zhǎng)鏈被壓縮以產(chǎn)生彈性排斥力，這種柔性聚合物中產(chǎn)物的空間排斥力具有抗蛋白質(zhì)粘附性能，它能夠阻礙蛋白質(zhì)分子的粘附。聚合物鏈的長(zhǎng)度和厚度在生物抗蛋白質(zhì)粘附中起著至關(guān)重要的作用，PRIME 等[2]和FENG 等[3]從不同角度闡述了長(zhǎng)鏈聚合物材料的抗蛋白質(zhì)粘附特性。一般來(lái)說，鏈段存在的時(shí)間越久，表面覆蓋范圍就越大，材料的抗蛋白質(zhì)粘附效果就越好。

1.2 水化層理論

水化層理論又稱隔水層理論，該理論指出在各種材料主體表面建立親水性涂層表面，能夠大大提高材料表面的抗蛋白質(zhì)粘附性能。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)和材料表面互相接近時(shí)，水分子會(huì)迅速排出，從而降低蛋白質(zhì)和材料間的能量屏障，導(dǎo)致蛋白質(zhì)脫水并粘附在材料表面上[4]。在材料表面增加水化層可以避免蛋白質(zhì)和材料直接接觸，形成抗蛋白黏附的屏障，因此材料表面的水化能力已經(jīng)成為衡量材料抗蛋白質(zhì)粘附的重要因素之一。

2 抗蛋白質(zhì)粘附材料的分類

抗蛋白粘附材料種類繁多，分類方法也很多，本文將抗蛋白質(zhì)粘附的材料分為聚乙二醇（PEG）、兩性離子材料和混合材料3 類。

2.1 PEG

PEG 及其衍生物的結(jié)構(gòu)單體為聚醚（-CH2CH2O-），鏈的末端為羥基，可與水分子形成氫鍵水化層。長(zhǎng)分子鏈和側(cè)鏈分支能夠增加分子鏈的遷移性和空間位阻，從而起到較好的抗蛋白質(zhì)粘附效果?？沟鞍踪|(zhì)粘附性能與材料表面PEG 的鏈長(zhǎng)和分子密度有關(guān)：PEG 分子鏈越長(zhǎng)，相對(duì)應(yīng)的鏈流動(dòng)性就越好，空間位阻效應(yīng)越小，蛋白質(zhì)在表面的有效粘附就越弱；PEG分子鏈之間密度越大，相應(yīng)的材料空隙越窄，蛋白質(zhì)粘附在材料表面的空間位阻越大，越不利于蛋白質(zhì)在表面的有效粘附。

ZHENG等[4]研究了具有甲氧基聚乙二醇（MPEG）的藻酸鹽/殼聚糖/藻酸鹽水凝膠微膠囊的化學(xué)改性，指出其能夠減少非特異性蛋白質(zhì)的粘附：相同接枝度（DS）情況下，具有較長(zhǎng)分子鏈的MPEG 比較短分子鏈的MPEG 抗蛋白粘附效果好；MPEG 表觀接枝密度隨DS 的升高而降低，抗蛋白粘附能力隨DS 的升高呈現(xiàn)先降低再提高的趨勢(shì)，當(dāng)DS 為5%時(shí)，微膠囊抗蛋白質(zhì)粘附能力最強(qiáng)，可將免疫球蛋白粘附量減少70%，將纖維蛋白原粘附量減小48%。

2.2 兩性離子聚合物

兩性離子聚合物是一種同時(shí)具有陰、陽(yáng)離子基團(tuán)的聚合物，近年來(lái)研究較多的是磷酰膽堿聚合物、羧基甜菜堿聚合物和磺基甜菜堿聚合物。兩性離子所攜帶的正負(fù)電荷基團(tuán)可以通過靜電相互作用和離子化溶劑作用結(jié)合自由水分子，形成強(qiáng)水化層，使材料表面具有超親性，這一水化層對(duì)接近表面的蛋白質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈排斥作用，從而達(dá)到抗蛋白質(zhì)粘附效果。

磺基甜菜堿由磺酸陰離子基團(tuán)和季銨鹽陽(yáng)離子基團(tuán)組成。王藝璇等[5]通過種子半連續(xù)法合成出具有不同親疏水單體比例的兩親性兩性離子共聚物（ASC），以磺基甜菜堿兩性離子（SBMA）為親水單體，以甲基丙烯酸三氟乙酯（TFMA）為疏水單體，對(duì)乙酸-醋酸乙烯共聚物（EVA）薄膜上進(jìn)行涂覆改性，得到EVA 涂覆改性膜（EVA-ASC），利用考馬斯亮藍(lán)法和耗散型石英晶體天平法測(cè)定改性薄膜表面的抗蛋白質(zhì)粘附性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與EVA未改性薄膜相比，EVA-ASC（親水單體∶疏水單體=1.8 ∶1）的蛋白質(zhì)粘附量為8.63 μg/cm2，相比減少92.1%，EVA-ASC 改性薄膜的抗蛋白粘附性能顯著提高。

由于兩性離子聚合物的極性強(qiáng)，它只溶解在高極性溶劑（如水、乙醇等）中，與其他低極性單體共聚非常困難；此外，含有兩性離子聚合物的材料遇水后溶脹造成其機(jī)械強(qiáng)度降低以及在固體表面不容易固定等問題使得這些材料的應(yīng)用受到一定的限制。目前，兩性離子聚合物材料的研究還處在初始階段，對(duì)于兩性離子聚合物抗蛋白質(zhì)粘附機(jī)理還需更深入的探索，以便更好地指導(dǎo)開發(fā)生物醫(yī)用材料。

2.3 兩親聚合物

親水性表面通常是由一種或幾種親水性聚合物修飾而成的，在較為復(fù)雜的環(huán)境中，會(huì)因缺乏穩(wěn)定性或遭到破壞而喪失抗蛋白質(zhì)粘附的性能。而具有雙親性聚合物形成的親水性表面由于親疏水部分相容性差，會(huì)發(fā)生微相分離，進(jìn)而形成納微米尺度分相區(qū)域，導(dǎo)致表面出現(xiàn)復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，降低了蛋白質(zhì)在其表面粘附的熵和焓驅(qū)動(dòng)力，從而抑制蛋白質(zhì)在材料表面的粘附。

ZHU 等[6]使用親水性丙烯酸酯單體和疏水性甲基丙烯酸2-全氟辛基乙酯（FMA）通過自由基引發(fā)的共聚反應(yīng)合成兩親聚合物，將氟化基團(tuán)成功嵌入聚丙烯酸酯中。蛋白質(zhì)粘附實(shí)驗(yàn)表明，隨著本體/內(nèi)部聚合物層（k）的減少，決定蛋白質(zhì)粘附的關(guān)鍵因素逐漸從聚合物的表面轉(zhuǎn)移到其內(nèi)部區(qū)域，并且當(dāng)k 約為12 時(shí)，合成的聚合物表面上牛血清白蛋白和人血漿纖維蛋白原的粘附最小。

3 結(jié)語(yǔ)

蛋白質(zhì)在生物材料表面粘附的研究屬于生物相容性的一個(gè)分支，目前對(duì)其機(jī)理的研究還處于起步階段，暫時(shí)沒有成熟的理論支撐。另外，檢測(cè)蛋白粘附量方法的原理各不相同，也存在一定的誤差范圍，導(dǎo)致研究結(jié)果差異性較大，難以形成比較一致或有規(guī)律性的結(jié)論。

隨著材料生物相容性的研究不斷深入，蛋白質(zhì)-生物材料、細(xì)胞-生物材料的相互作用機(jī)理逐漸明晰，可指導(dǎo)高分子化學(xué)和生物材料領(lǐng)域的研究者有目的地進(jìn)行分子設(shè)計(jì)，推動(dòng)生物材料作為植入材料、藥物緩控釋載體、組織支架等方面的臨床應(yīng)用。