仿生表面改性技术研究进展

张静姝，田 磊

（1.西安医学院药学院，陕西 西安710021；2.西北大学化学与材料科学学院，陕西 西安710069）

自然界中的生物经历了亿万年的进化，其结构与功能不仅适应自然而且程度接近完善。人们通过模仿动物和植物的形态、结构、功能及行为来解决所面临的技术问题，尝试在生物学和技术之间架起一座桥梁，这就是仿生学的思想［1］。仿生是受自然界生物特性的启示，模仿或利用生物体结构、功能和生化过程并应用到材料设计中，以便获得接近或超过生物材料优异特性的新材料［2］。

随着科学技术的进步，仿生学已进入分子水平，从更微观的层次师法自然，利用仿生原理对天然生物材料进行表面改性，挖掘材料的新性质及新应用，从而得到高效、低能耗、智能响应和环境友好的新型仿生高分子材料［3］，是近年来迅速崛起并快速发展的研究领域。

1 结构仿生改性

结构仿生是通过制备与生物形态或结构相似的高分子，得到人造材料新的性能以及与生物高分子不同的特异性能［4］。例如，仿造骨骼和动物牙齿的复合结构制备超强度材料；仿造蜘蛛和蚕纺丝的成型过程得到高强度的人工纤维；仿造蜻蜓翼表面的纳米结构，制备超疏水表面的抗热震性陶瓷材料；仿造贝壳珍珠层有机／无机交替堆砌排列的特殊结构合成高力学性能的有机／无机层状复合材料［5］；仿造自然界球形细胞膜的结构制备纳米厚度的聚合物空心囊泡膜，用于研制高效的生物微反应器等［6］。

根据与生物高分子结构的相似程度，仿生高分子可分为三个仿生层次［7］：（1）生物高分子的表面改性，通过重组、交联、引入新基团和固定化等技术，合成具有新功能的生物高分子；（2）将生物高分子的活性部位（如活性片断、辅基和辅酶等）引入人工高分子的主链或侧链上；（3）模拟生物高分子的作用机理，用合成高分子实现生物高分子的功能，这是仿生高分子的最终目标。目前最引人注目的结构仿生表面改性技术为基于分子识别的分子印迹技术、模拟生物酶催化以及仿细胞膜结构改性。

1.1 基于分子识别的分子印迹技术

分子印迹技术（Molecular imprinting technique，MIT）是20世纪出现的一种高选择性分离技术，是源于人们对“抗体－抗原”专一性的认识，模拟生物体系，利用具有分子识别能力的新型高分子仿生材料——分子印迹聚合物（Molecular imprinting polymers，MIPs）来分离、筛选、纯化化合物的一种仿生技术［8］。

MIPs的制备过程［9］：（1）功能单体与模板分子以共价键或非共价键形式按一定比例混合，使功能单体按一定序列排列在模板分子周围；（2）加入交联剂制得高交联度的刚性聚合物；（3）洗脱去除模板分子，在聚合物内部得到大量与模板分子空间大小、形状完全一致的三维孔穴，同时孔穴内按一定顺序排列的功能基团也能提供具有一定方向性的、与模板分子作用位置一一对应的作用位点，其基本原理如图1所示。

MIPs模拟天然抗体具有很大的优越性，其对模板分子的特异识别性和高度选择性源于它拥有大量与印迹分子空间立体结构相吻合、作用位点一一对应的印迹孔穴［10］，被人们称为人工抗体或人工接受器。MIPs具有类抗体的高特异性、高选择性、高强度等优点，另外还具有制备简单、模板分子可重复利用等天然抗体不具备的特点，再加上耐高温、耐高压、耐酸碱等特性，越来越受到科学工作者的青睐［11］。Vlatakis等［12］用MIPs代替抗体在RIA测定中检测药物中的吗啡、茶碱等，取得了与单抗相似的交叉反应。这证明印迹聚合物抗体和受体完全可以作为生物抗体的理想替代品和有益补充。近年来，分子印迹技术已广泛应用于手性药物分离、固相萃取分离、色谱分离、临床药物分析、生物模拟、生物传感器、催化合成等诸多领域，显示出良好的应用前景［13］。

图1 分子印迹技术的基本原理Fig.1 The principle of molecular imprinting technique

1.2 模拟生物酶催化

生物的一切代谢过程几乎都是在温和条件下经酶的催化反应而实现的，酶催化反应以高效性、高专一性及条件温和而令人注目，但由于天然酶来源有限、难于纯制、易失活、难以回收和重复利用，其实际应用尚有不少困难［14］。仿效生物过程，开发具有与生物酶功能相似甚至更优越的人工酶已成为当代化学与仿生科技领域极具创新性和发展潜力的重要课题之一。模拟酶就是从天然酶中选出起主导作用的因素，如活性中心结构、疏水微环境、与底物的多种非共价键相互作用及其协同效应等，进而设计合成既能表现酶的优异性能又比酶简单、稳定的非蛋白质分子或分子集合体，模拟酶对底物的识别、结合及催化作用［15］。

20世纪60年代中期，以卟啉化合物为基础的生物模拟研究发展十分迅速［16］，其中最活跃的领域是模拟单加氧酶细胞色素P－450的研究。细胞色素P－450是光面内质网上一类含铁的膜整合蛋白，其核心结构是铁卟啉配合物（图2）［17］。

图2 细胞色素P－450及其催化过程Fig.2 Cytochrome P－450and its catalytic process

细胞色素P－450酶可以看成是由卟啉配体和金属离子形成的大配位化合物，从这一点出发可以合成在结构或功能上与P－450酶相似的小分子配合物［18，19］。卟啉化合物作为仿生酶催化剂具有显著的催化性能，但是大部分合成酶通常都缺乏P－450中蛋白质的部分特征，且卟啉分子本身易二聚，影响了其性能，因此对卟啉化合物进行化学改性迫在眉睫。要想合成高效的仿生催化剂，必须掌握各种功能与结构单元间的关系，仿酶设计一般都是通过在卟啉平面的一侧引入庞大的疏水基团以模拟天然酶的蛋白质环境，从而防止单分子不可逆氧化生成双分子，使吸氧络合物趋于稳定［20］。作为单加氧酶的模型，金属卟啉化合物的应用主要表现在催化烷烃的氧化、催化烯烃的环氧化、环境污染物的氧化消除以及催化某些药物的氧化代谢等［21］。

1.3 仿细胞膜结构改性——表面磷脂化

细胞是具有生命功能的最小结构和功能单元，细胞膜以两层脂质双分子层为骨架，膜内表面结构的主要成分是磷脂酰丝氨酸和磷脂酰乙醇胺，而膜外表面结构则主要由卵磷脂构成［22］。卵磷脂中的两亲性磷酸胆碱（Phosphorylcholine，PC）基团具有很强的抗凝血性能，因为它的结构中含有的PC端基表面对血细胞惰性，不会吸附和激活血小板，又因PC端基带有等量正、负电荷，具有很好的亲水性，会减弱与蛋白的相互作用，而且它对蛋白的吸附基本上为可逆吸附，因此被吸附的蛋白可以保持其自然构象［23］。据此可设计出含有磷酸胆碱基的细胞膜仿生材料，可有效改善、提高材料的血液相容性。Gong等［24］合成了带有磷酸胆碱基团的芳香叠氮类化合物，通过紫外光照射可使其接枝于材料表面，具有良好的亲水性，血小板粘附实验和凝血酶生成实验均显示改性材料比原材料有较长的凝血时间，吸附的血小板数量大幅减少，并且绝大部分未被激活，材料的血液相容性得到很好的改善。Kon－no等［25］利用甲基丙烯酸和2－甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱共聚物侧链上的羧基来修饰芳香叠氮基团，在“掩蔽曝光”条件下进行特定位点的接枝反应，相比于表面未改性区域，改性区域明显达到了抑制蛋白吸附和血小板粘附的效果［26］，材料的血液相容性明显改善。细胞膜及磷酰胆碱聚合物仿细胞外层结构示意图如图3所示。

图3 细胞双层膜及仿细胞膜聚合物的结构示意图Fig.3 Schematic structure of cell membrane and the mimetic cell membrane polymer

Ishihara等［27］用表面聚合法将磷酰胆碱接枝到材料表面，所修饰材料的血液相容性明显提高。

近年来的研究表明，用仿细胞膜结构聚合物对生物材料表面进行改性，可显著提高材料的生物相容性［28］，降低其对蛋白质的吸附及对血小板的粘附作用［29］，具有重大的学术意义和巨大的市场潜力。随着仿细胞膜结构表面改性研究的深入，生物相容性事例不断增加，各种机理相继被提出，如Ishihara等［27］的磷酰胆碱基团水合理论、林思聪［30］的“维持正常构象”假说等等，均肯定仿细胞膜外层结构改性无疑是改善生物相容性的最佳方法之一。

2 功能仿生改性

以仿造自然界动物和植物的特异功能和智能响应为目标，研究发展具有与生物功能相似或超越生物现有功能的高分子材料称为功能仿生。例如，荷叶等植物的超疏水特性，是因其具有微米－纳米二次表面结构而得到的，仿造得到具有可与荷叶相媲美的超疏水性质和荷叶不具备的疏油特性的高分子仿生表面，用于制备自清洁涂层材料；通过基因改造的方法仿造天然产物的高效制备和可自然降解特性，研究在生物体系中制备环境友好、可生物降解功能的高分子新材料；仿造生物在环境中的应变特性，制备在外场作用下具有快速响应功能的高分子和凝胶智能材料等［3］。

2.1 仿生智能高分子凝胶

仿生智能材料要求材料集感知、驱动和信息处理于一体，具有类似生物材料的智能属性，具备自感知、自诊断、自适应、自修复等功能［31］，其中应用最广泛的是智能高分子凝胶。生物体的大部分是由柔软而又含有水的物质——凝胶构成的，凝胶由液体和高分子网络组成，由于液体和高分子网络的柔和性，液体被高分子网络封闭，从而失去流动性［32］。正如生物体一样，用凝胶材料构成的仿生系统也能感知周围环境的变化并作出响应，因此该领域的探索引起了人们的高度重视。

20世纪70年代，Tanaka［33］发现了凝胶的体积相转变现象，促进了凝胶科学的发展。智能高分子凝胶在外界环境（如pH值、温度、光、电场、离子强度、溶剂组成等）的变化或刺激下，体积发生膨胀或收缩。它是一种三维高分子网络和溶剂组成的体系，可随环境变化产生可逆的、非连续的体积变化。高分子凝胶的溶胀收缩循环可用于化学阀、吸附分离、传感器和记忆材料；循环提供的动力可用来设计“化学发动机”；网孔的可控性适用于药物释放体系［34］。Yoshida等［35］用N－异丙基丙烯酰胺制成了一种无需外部刺激就能自行如心脏般膨胀收缩的仿生凝胶，由于不需要其它附加装置，能最大程度地缩小体积，该凝胶可用于微型起搏器。He等［36］设计了一种释药系统，包括一个具有粘附功能的储药器和双层的水凝胶门，该双层门由聚HEMA和聚甲基乙烯酸－g－乙烯乙二醇分别形成的两层水凝胶层构成。通过不同pH值条件下溶胀速率的差异来控制双层门的开启和关闭，该系统能自动在最有效的部位、最恰当的时机释放出最适量的药物，从而降低药物的毒副作用。

一般来说，人工合成的高分子凝胶的构造均为无定型态，没有规则，对外部环境的刺激反应迟钝，没有协同性［32］。将一些具有特殊效应或功能的基团等接枝到聚合物的侧链或一端，是构成智能聚合物的基本思想，随着仿生智能材料研究的深入，研究与开发具有多重响应功能的智能高分子凝胶备受关注。Hoffman等将对胃有刺激作用的药物吲哚美辛包埋在pH值和温度敏感水凝胶中，药物在胃液中只有少量释放、而在肠液中大量释放，其副作用大大减轻。陈双基等［37］报道了甲基丙烯酸－N，N－二甲氨基乙酯及其聚合物水凝胶的热和pH值响应性，表明轻度交联的水凝胶的吸水率随温度升高而下降，其随pH值变化的性质有望成为药物吸附、释放的功能材料。

2.2 生物传感器

生物体内存在许多分子识别功能物质，如酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、动植物细胞和组织等，能选择性地识别特定物质。生物传感器正是巧妙地利用生物体分子固有的识别性能，将其固定在适当载体上形成生物功能膜，再应用生物化学和电化学反应原理，将生化反应信号转化为电信号，经过放大及模／数转换测定浓度的一种先进测试仪器［38］。这是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。

2001年我国科研人员研制出的蛇形机器人是一种新型的仿生机器人，它实现了像蛇一样的“无肢运动”，是机器人运动方式的一个突破。这种机器蛇可用于危险作业、抢险救灾及军事探测，被国际机器人业界称为“最富于现实感的机器人”［39］。目前，生物传感器研究的重要内容是以生物感受器系统水平为主攻目标，以期开发出像人类嗅觉器官、味觉器官那样更灵敏、更新颖的仿生传感器，而且在感触、刺激以及视听等方面已有最新研究成果问世。

从实用角度考虑，多功能传感器中应用较多的是多功能触觉传感器，譬如人造皮肤触觉传感器，这种传感器系统由PVDF材料、无触点皮肤敏感系统以及具有压力敏感传导功能的橡胶触觉传感器等组成。随着基因测序的完成，即可定位装配基因，开辟预测、诊断和预防许多病变的新途径［40］。将一定长度与序列的寡核苷酸“探针”共价键合在高分子、膜材、电极、胶粒和光纤上，可为亲和生物传感器的开发创造条件。科学家们还制备了含双链DNA碎片的杂化材料，用于迅速测定能与天然DNA相互作用的不同物种，可望用于制药工业以促进新药开发；进一步将寡核苷酸衍生物附着于刺激响应高分子，开发了有多维传感行为的“灵巧”诊断装置［41］。在未来21世纪知识经济发展中，生物传感器技术必将是介于信息和生物技术之间的新增长点，将进一步涉及医疗保健、疾病诊断、食品与环境监测、生物芯片的各个领域。

3 小结

仿生高分子材料不仅要求仿效生物体的结构，而且要求充分有效地仿效其特定功能，实现结构与功能一体化是仿生材料研究前沿的重要分支，也是发展新材料的重要方向。它将模仿自然与超越自然有机结合；将结构与功能的协同互补有机结合；并在基础学科与应用技术之间架起了一座桥梁，为新型材料的设计、制备和加工提供了新概念、新原理和新方法。仿生结构及其功能材料对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，具有广阔的应用前景。

［1］崔福斋，郑传林.仿生材料［M］.北京：化学工业出版社，2004：3.

［2］刘克松，江雷.仿生结构及其功能材料研究进展［J］.科学通报，2009，54（18）：2667－2681.

［3］董建华.高分子科学前沿与进展［M］.北京：科学出版社，2006：611－613.

［4］国家自然科学基金委员会.有机高分子材料科学发展战略［M］.北京：科学出版社，2006：108－109.

［5］张学骜，王建方，吴文健，等.贝壳珍珠层生物矿化及其对仿生材料的启示［J］.无机材料学报，2006，21（2）：257－266.

［6］Zhang Y J，Yang S G，Guan Y，et al.Fabrication of stable hollow capsules by covalent layer－by－layer self－assembly［J］.Macromolecules，2003，36（11）：4238－4240.

［7］马建标，何炳林.仿生高分子［J］.化学通报，1992，（6）：18－24.

［8］娄忠良，孟子晖，王鹏，等.分子印迹技术用于模拟酶及分子反应器的研究进展［J］.有机化学，2009，29（11）：1744－1749.

［9］小宫山真，竹内俊文，务川高志，等.分子印迹学：从基础到应用［M］.北京：科学出版社，2006：1－102.

［10］Bergmann N M，Peppas N A.Molecularly imprinted polymers with specific recognition for macro－molecules and proteins［J］.Progress in Polymer Science，2008，33（3）：271－288.

［11］董建华.高分子科学前沿与进展Ⅱ［M］.北京：科学出版社，2009：333－354.

［12］Vlatakis G，Andersson L I，Muller R，et al.Drug assay using antibody minics made by molecular imprinting［J］.Nature，1993，361（6413）：645－647.

［13］王颖，李楠.分子印迹技术及其应用［J］.化工进展，2010，29（12）：2315－2322.

［14］郭奇珍，陈明德.仿生化学［M］.北京：化学工业出版社，1990：11－26.

［15］李志良，肖敏，村松Y，等.化学仿酶仿生研究与应用现状及其进展［J］.化学世界，1997，38（1）：7－11.

［16］Meunier B.Metalloporphyrins as versatile catalysts for oxidation reactions and oxidative DNA cleavage［J］.Chemical Reviews，1992，92（6）：1411－1456.

［17］冷欣夫，邱星辉.细胞色素P－450酶系的结构功能与应用前景［M］.北京：科学出版社，2001：9－28.

［18］Ricoux R，Raffy Q，Mahy J P.New biocatalysts mimicking oxidative hemoproteins：Hemoabzymes［J］.Comptes Rendus Chimie，2007，10（8）：684－702.

［19］Poltowicz J，Pamin K，Haber J.Influence of manganese tetraarylporphyrins substitutents on the selectivity of cycloalkanes oxidation with magnesium monoperoxyphthalate［J］.Journal of Molecular Catalysis A：Chemical，2006，257（1－2）：154－157.

［20］李沛陪，童金辉，李臻，等.基于清洁氧源的金属卟啉配合物仿生催化氧化研究进展［J］.分子催化，2010，24（2）：158－170.

［21］王兰芝，佘远斌，徐未未，等.金属卟啉类模拟酶催化剂研究［J］.化学进展，2005，17（4）：678－685.

［22］Lewis A L.Phosphorylcholine－based polymers and their use in the prevention of biofouling［J］.Colloids and Surfaces B：Biointerfaces，2000，18（3－4）：261－275.

［23］Ishihara K，Tsujino R，Hamada M，et al.Stabilized liposomes with phospholipid polymers and their interactions with blood cells［J］.Colloids and Surfaces B：Biointerfaces，2002，25（4）：325－333.

［24］Gong M，Yang S，Ma J N，et al.Tunable cell membrane mimetic surfaces prepared with a novel phospholipid polymer［J］.Applied Surface Science，2008，255（2）：555－558.

［25］Konno T，Hasuda H，Ishihara K，et al.Photo－immobilization of a phospholipid polymer for surface modification［J］.Biomaterials，2005，26（12）：1381－1388.

［26］宫铭，杨珊，张世平，等.生物医用材料表面仿细胞膜结构改性［J］.化学进展，2008，20（10）：1628－1634.

［27］Ishihara K，Iwasaki Y，Ebihara S，et al.Photoinduced graft polymerization of 2－methacryloyloxy－ethyl phosphorylcholine on polyethylene membrane surface for obtaining blood cell adhesion resistance［J］.Colloids and Surfaces B：Biointerfaces，2000，18（3－4）：325－335.

［28］Nakabayashi N，Williams D F.Preparation of non－thrombogenic materials using 2－methacryloyloxy－ethyl phosphorylcholine［J］.Biomaterials，2003，24（13）：2431－2435.

［29］Kim H K，Kim K，Byun Y.Preparation of a chemically anchored phospholipid monolayer on an acrylated polymer substrate［J］.Biomaterials，2005，26（17）：3435－3444.

［30］林思聪.蛋白质的天然构象与高分子生物材料的生物相容性［J］.高分子通报，1998，（1）：1－10.

［31］方明建，郑旭煦.化学与社会［M］.武汉：华中科技大学出版社，2009：243－244.

［32］刘莉，张微微，李青山，等.智能高分子与高分子凝胶［J］.化学工程师，2003，（2）：26－28.

［33］Tanaka T.Gels［J］.Scientific American，1981，244（1）：124－138.

［34］陈莉.智能高分子材料［M］.北京：化学工业出版社，2004：64.

［35］Yoshida R，Sakai T，Tambata O，et al.Design of novel biomimetic polymer gels with self－oscillating function［J］.Science and Technology of Advanced Material，2002，3（2）：95－102.

［36］He H Y，Cao X，Lee L J.Design of a novel hydrogel－based intelligent system for controlled drug release［J］.Journal of Controlled Release，2004，95（3）：391－402.

［37］陈双基，薛梅，李福绵.甲基丙烯酸－N，N－二甲氨基乙酯及其聚合物的热和pH响应性［J］.高分子学报，1995，（3）：373－376.

［38］杨一民.生物传感器［J］.上海生物医学工程，2006，27（2）：128－129.

［39］董守愚.浅谈仿生传感器［J］.安徽电子信息职业技术学院学报，2004，3（5－6）：209－210.

［40］刘君华.智能传感器系统［M］.西安：西安科技大学出版社，2000：106－124.

［41］姚康德，成国祥.智能材料仿生构思［J］.化工进展，2002，21（7）：518－521.