脂肪族聚酯类生物材料表面仿生磷脂化改性技术的研究*

张晓敏，邓金

（1.河北北方学院附属第一医院，河北 张家口075000；2.河北北方学院理学院，河北张家口075000）

1 引 言

脂肪族聚酯类生物材料作为新型高科技功能材料，可诊断并治疗人体疾病，并对损伤的组织和器官进行调节和替换，以提升其功能[1]。由于脂肪族聚酯类生物材料置入人体过程中，材料表面最先与人体组织接触，因此，材料表面的生物亲水性、生物相容性和抗污染性对是否为人体所接受起决定性作用[2]。为提高脂肪族聚酯类生物材料的生物相容性，通常会改变材料自身性质[3]，因此，研究一种高效的脂肪族聚酯类生物材料表面改性技术尤为重要。

当前在改变脂肪族聚酯类生物材料表面性能时，多采用等离子体改性技术[4]，将脂肪族聚酯类生物材料置于存在非聚合性气氛的等离子体腔内，利用等离子体能量粒子使脂肪族聚酯类生物材料表面分子激发、电离、断键等，进而产生新的拓扑结构。然而这类技术难度较高，提升材料表面性能较差[5-6]。本研究提出脂肪族聚酯类生物材料表面仿生磷脂化改性技术，以提升脂肪族聚酯类生物材料表面生物相容性。

2 脂肪族聚酯类生物材料表面仿生磷脂化改性

以丙烯腈为例，具体说明仿生磷脂化改性技术：采用水相沉淀聚合法共聚丙烯腈和甲基丙烯酸羟乙酯产生丙烯腈共聚物[7]，将丙烯腈共聚物和2-氯-2-氧-1，3，2-二氧磷杂环戊烷反应后，再与三甲胺进行反应，实现丙烯腈共聚物表面仿生磷脂化。

2.1 实验材料

脂肪族聚酯类生物材料表面仿生磷脂化改性过程中所需要的主要仪器设备见表1。

表1 主要仪器设备Table 1 Main instruments and equipment

脂肪族聚酯类生物材料表面仿生磷脂化改性过程中所需要的主要化学原材料见表2。

2.2 磷脂酰胆碱合成

2.2.1 2-氯-1，3，2-二氧磷杂环戊烷合成 选取三口烧瓶，容量为1 000 mL。将含CaCl2干燥剂的冷凝回流管、搅拌器以及滴液漏斗固定在烧瓶上。在烧瓶中分别加入纯化的二氯甲烷与三氯化磷，分别为450、200 mL，采用搅拌器搅拌。搅拌中逐渐滴加无水乙二醇，体积约为126 mL，产生大量氯化氢气体。为清除残留的二氯甲烷[8]，原料置入反应后立即对烧瓶内反应物实施蒸馏，并对蒸馏后烧瓶中形成物实施减压蒸馏[9]，获取46～46.5℃/15 mm-Hg的2-氯-1，3，2-二氧磷杂环戊烷。

表2 主要化学原材料Table 2 Main chemical raw materials

2.2.2 2-氯-2-氧-1，3，2-二氧化磷杂环戊烷合成 选取三口烧瓶，容量为500 mL。在烧瓶中加入2-氯-1，3，2-二氧磷杂环戊烷和苯溶液，加入量分别为45 g和90 mL，在烧瓶内输入干燥氧气，6.5 h后结束。为去除残留的苯溶液，对烧瓶内反应物实施蒸馏，并对蒸馏后烧瓶中形成物实施减压蒸馏，获取70℃/0.3 mmHg的2-氯 -2-氧 -1，3，2-二氧化磷杂环戊烷。

2.2.3 2-（甲基丙烯酰氧）乙基-2-氧 -1，3，2-二氧化磷杂环戊烷合成 选取三口烧瓶，容量为500 mL。将温度计、干燥管以及滴液漏斗固定在烧瓶上。在烧瓶中加入四氢呋喃、甲基丙烯酸羟乙酯以及三乙胺，加入量分别为180 mL、18 g和14 g，对三种原料实施搅拌，降低反应溶液温度至-20℃。在90 mL的干燥四氢呋喃内溶入约20 g 2-氯-2-氧-1，3，2-二氧化磷杂环戊烷，将混合物逐渐滴加至烧瓶中反应液内，保持搅拌状态直至滴加结束，并保持反应状态3 h，期间温度维持在-25℃左右。清除烧瓶内产生的三乙胺盐和残留的四氢呋喃[10]，获取透明粘稠的2-（甲基丙烯酰氧）乙基-2-氧-1，3，2-二氧化磷杂环戊烷。

2.2.4 [2-（甲基丙烯酰氧）乙基]磷脂磷脂酰胆碱合成 选取压力瓶，容量为200 mL。将2-（甲基丙烯酰氧）乙基-2-氧-1，3，2-二氧化磷杂环戊烷以及纯化后的乙腈置入压力瓶内，加入量分别为4.5 g和27 mL。将温度设置为-20℃后，在压力瓶中加入无水三甲胺1.8 mL，并快速将瓶封口。将温度提升至60℃并持续14.5 h，然后将温度再次降至-20℃，使压力瓶内生成物结晶，获取白色沉淀物。将白色沉淀物置入干燥氩气内进行过滤，使用乙腈循环处理[11]，最终获取磷脂单体[2-（甲基丙烯酰氧）乙基]磷脂磷脂酰胆碱。

2.3 磷脂磷脂酰胆碱共聚物合成

选取三口烧瓶，容量为1 000 mL。在烧瓶内依次置入固定量的丙烯腈、[2-（甲基丙烯酰氧）乙基]磷脂磷脂酰胆碱和水。将氮气通入烧瓶，保持20 min，将温度设置为反应温度后，将氧化还原引发剂置入烧瓶内，在氮气保护下开始搅拌形成共聚合反应。反应结束后，清除沉淀物，将生成物在去离子水和乙醇中清洗数次。为清除未反应的单体和可溶性均聚物[12]，采用去离子水提纯生成物，并在60℃下抽真空干燥，获取丙烯腈/[2-（甲基丙烯酰氧）乙基]磷脂磷脂酰胆碱共聚物（PANCMPC）。经实验证明，PANCMPC具有较好的亲水性、抗蛋白质吸附性以及血液相容性。

2.4 PANCMPC与丙烯腈共聚物合成

将2.3节中的[2-（甲基丙烯酰氧）乙基]磷脂磷脂酰胆碱替换为PANCMPC，重复共聚过程，获取PANCMPC与丙烯腈共聚物PANCHEMA。

2.5 仿生磷脂化改性PLCANCP的合成

为将存在生物特性的磷脂功能基团导入共聚物分子侧链上[13]，将PANCHEMA与2-氯-2-氧-1，3，2-二氧磷杂环戊烷实施反应，然后和三甲胺实施开环反应，生成仿生磷脂化改性PLCANCP，其生成路径见图1。

生成仿生磷脂化改性丙烯腈共聚物过程中，以共聚物PANCHEMA与2-氯 -2-氧 -1，3，2-二氧磷杂环戊烷实施反应能够缓和反应过程，同时使用过量的2-氯-2-氧-1，3，2-二氧磷杂环戊烷和三甲胺，可使共聚物分子侧链上的羟基和2-氯-2-氧-1，3，2-二氧磷杂环戊烷整体反应，全部转换为磷脂功能基团[14]。

2.6 性能评价方法设计

对仿生磷脂化改性后脂肪族聚酯类生物材料表面性能评价，主要是对其生物相容性进行评价，所使用的主要参数为亲水量与蛋白质截留率[15]。式（1）为亲水性计算公式：

式中，Y、B和Δt分别表示透过液体积、有效表面面积和操作时间，单位分别是L、m2和h。

式（2）为相容性计算公式：

式中，xp表示透过液内牛血清白蛋白浓度，xf表示原料液内牛血清白蛋白浓度，两者单位均为mg/mL。

仿生磷脂化改性后脂肪族聚酯类生物材料粘附比EFE进行分析，计算公式为：

式中，Jw1表示初始水通量，Jw2表示材料表面清洗后的水通量，通过式（1）可获取Jw1、Jw2，进而求出EFE。

3 实验分析

3.1 亲水性对比分析

为测试本研究提出的脂肪族聚酯类生物材料表面仿生磷脂化改性技术的清水性，分别采用本研究技术、基于等离子体的脂肪族聚酯类生物材料表面仿生磷脂化改性技术和基于物理手段的脂肪族聚酯类生物材料表面仿生磷脂化改性技术对脂肪族聚酯类生物材料表面进行仿生磷脂化改性实验，对比不同技术仿生磷脂化改性后脂肪族聚酯类生物材料表面水接触角随时间的变化情况，结果见图2。

由图2可知，三种仿生磷脂化改性技术在初始阶段水接触角差距较小，均维持在57%左右。随着时间的延长，三种仿生磷脂化改性技术的水接触角均开始出现不同程度的下降趋势。当时间达到30 min时，本研究技术改性后的脂肪族聚酯类生物材料表面水接触角下降趋势最为显著，达到15%左右；基于等离子体的仿生磷脂化改性技术水接触角下降趋势低于本研究技术，达到38%左右；基于物理手段的仿生磷脂化改性技术的水接触角下降趋势最小，仅达到42%。实验结果表明，三种仿生磷脂化改性技术中，本研究技术的亲水性最好，是由于本研究技术中引入了磷脂基团，提高了脂肪族聚酯类生物材料表面的亲水性。

图2 不同技术的亲水性对比结果Fig 2 Hydrophilicity of different technologies

3.2 生物相容性对比分析

为测试本研究技术对脂肪族聚酯类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节中的实验过程，对比三种仿生磷脂化改性技术后材料的生物相容性，结果见图3。

图3 不同技术改性后，材料的生物相容性对比结果Fig 3 Biocompatibility of different techniques

由图3可知，当牛血清白蛋白浓度逐渐提升时，三种仿生磷脂化改性技术对蛋白质的吸收性能均存在不同程度上的提升。本研究技术仿生磷脂化改性后的脂肪族聚酯类生物材料表面与其他两种技术相比，对牛血清白蛋白的吸收量最低。当牛血清白蛋白的浓度达到4.0 g/L时，本研究技术的牛血清白蛋白吸收量达到最高，为10.46μg/cm2，而基于等离子体的仿生磷脂化改性技术对牛血清白蛋白吸收量为26.66μg/cm2，基于物理手段的仿生磷脂化改性技术对牛血清白蛋白吸收量为32.90μg/cm2。

3.3 材料粘附比分析

为测试本研究技术细胞粘附性能，基于3.1节中的实验过程，对比三种仿生磷脂化改性技术后材料的细胞粘附结果，见图4。

图4 不同技术的材料粘附对比结果Fig 4 Material adhesion contrast results of different technologies

由图4可知，三种仿生磷脂化改性技术的细胞粘附量具有较大的差距。其中采用物理手段的仿生磷脂化改性技术的聚酯类生物材料表面每平方毫米的细胞粘附量达到730个以上；而采用等离子体的仿生磷脂化改性技术后，材料表面每平方毫米的细胞粘附量为440个左右；采用本研究技术后的材料表面每平方毫米的细胞粘附量接近180个。采用本研究技术后材料表面每平方毫米的细胞粘附量不足采用物理手段的仿生磷脂化改性技术细胞粘附量的四分之一，说明本研究技术对提升脂肪族聚酯类生物材料表面亲水性与生物相容性的帮助更大。

4 结论

为提升脂肪族聚酯类生物材料表面性能，对其进行仿生磷脂化改性尤为重要。本研究提出脂肪族聚酯类生物材料表面仿生磷脂化改性技术。实验结果表明，采用本研究技术对脂肪族聚酯类生物材料表面仿生磷脂化改性后，材料表面亲水性、生物相容性及材料粘附比均有所提升。