血液相容性材料表面表征手段

张畅(国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心，广东 广州 510000)

1 概述

高分子材料的血液相容性问题主要是指材料与血液接触后是否引发血小板聚集、凝血以及血栓形成和溶血等现象的问题。通常从抗凝血性能和保持血液成分完整性两方面对材料的血液相容性进行评价。由于血栓的形成及凝血的发生对血液接触性材料的使用效率和处理效果造成严重的影响，因此血液接触材料必须具备良好的血液相容性。

血液相容性的评价、具有血液相容性材料的制备和研发以及材料与血液相互作用机制是血液与材料相互作用的三个基本问题。血液相容性材料无论是新材料的制备还是新的测试方法的研发或新理论的应用，基本上都是围绕这三个问题来展开。随着高分子科学的发展，高分子材料由于其独特的性能和低廉的价格被广泛应用于医用高分子领域。目前，全世界每年消耗的医用高分子材料约为180万吨，其中以聚氯乙烯(PVC)塑料应用最多，超过50万吨。PVC添加增塑剂后变得柔软、有光泽和弹性、透明而且价格低廉实用，因此应用广泛。医疗输注器械所用PVC软塑料中最常见的增塑剂是邻苯二甲酸二(2-乙基)己酯(di(2-ethylhexyl) phthalate, DEHP)，它在PVC塑料里添加的含量可达40%～60%。PVC中可能残留的氯乙烯单体以及塑化剂都会对与其接触的血液或药物造成污染，因此寻找取代PVC的高分子材料势在必行。

材料与血液相接触时凝血产生的途径主要有两个：第一个是由血浆蛋白粘附引起的凝血；第二个是由凝血因子引起的凝血。

1995年，Matyjaszewski教授课题组报道了一种新型的活性聚合方法—原子转移自由基聚合(atom transfer radical polymerization, ATRP)。

原子转移自由基聚合机理如图1所示。

图1 原子转移自由基聚合机理

在材料表面接枝的第一步就是要在其表面引入合适的引发基团。梅里菲尔德树脂[1]、聚(4-乙烯基苄氯)可以直接进行SI-ATRP，此外，聚偏氟乙烯(PVDF)也可以直接用于很多单体的SI-ATRP的接枝[2-3]，但是合成材料中很少有自身存在可以用于ATRP引发的基团。因此进行表面引发ATRP之前要先在材料表面引入引发剂。Fristrup等[4]总结了在聚合物表面引入引发基团的常用方法，如图2所示。

图2 有机/聚合物基底上ATRP引发基团的制备

2 常用表征手段

2.1 X-射线表面光电子能谱(XPS)

电子能谱是通过X射线、紫外光和电子束等照射样品表面。使样品中原子或分子的电子受到激发释放出来，根据释放电子的能量分布，从中获得所需的能量信息。

2.2 扫描电子显微镜(SEM)

SEM是利用样品表面做光栅扫描的精确聚焦电子束轰击样品表面产生各种信号的二次电子、背散射电子、俄歇电子特征射线及不同能量的光子等，利用电磁透镜系统成像，对固体材料表面进行分析的仪器。SEM主要用于观测微米及纳米范围内的物质形貌结构，由于分辨率高，成像清晰视野大、可以从几十倍到几万倍连续放大观察，因此广泛地应用于材料表面形貌研究，特别是材料与生物分子间作用的研究。

Yang[5]利用SEM对接枝了直链葡萄糖的聚丙烯微孔膜的形貌进行观测，结果发现随着接枝率的变化微孔膜的表面形貌发生明显的变化，孔径逐渐变小，孔隙率逐渐变低。因此可以通过SEM观测结果对材料接枝率进行直观地认识。

Lin等[6]通过SEM对聚乙烯及磺酸基团改性材料表面血小板形貌进行了研究，发现随着血小板与材料之间的粘附、激活程度不同血小板可以呈现出五种不同的形态，分别是圆盘形、部分伪足化、完全伪足化、部分铺展和完全铺展态。

2.3 原子力探针显微镜(AFM)

原子力显微镜(AFM)是利用一个微小探针检测样品表面和微型力敏感元件(原子力针)之间微弱的原子间相互作用力，研究材料表面结构和性质的测试仪器。自20世纪80年代第一台原子力显微镜出现至今，其检测精度、灵敏性有了大幅度地提高，目前已经广泛应用到生物材料界面相关领域。如Feng等[7]将MPC用表面引发ATRP和引发剂自组装的方法接枝到硅片的表面，制备了接枝密度为0.06～0.39 chains/nm2和链长为5～200个单体单元的接枝样品。并用AFM观测到接枝密度和接枝链长不同对材料表面形态的影响，以及这种表面形态不同对其血液相容性的影响，其研究发现，在pH为7.4的TBS缓冲溶液中测定其纤维蛋白原的吸附量，结果发现随着接枝密度和接枝链长的增加，当接枝密度≥0.29 chains/cm2和链长≥100 units时蛋白质吸附量可以降低到10 ng/cm2以下，而未经改性的硅片的吸附量为570 ng/cm2。同时他们还发现纤维蛋白原的吸附对接枝密度的依赖性比接枝链长大，接枝密度增大使材料接枝后表面形态由蘑菇状变为刷子状。

2.4 表面等离子体共振仪(SPR)

表面等离子体共振仪是一种基于物理光学原理的新型生化分析系统，SPR 技术作为一种表面反应的生物传感技术，具有很重要的生化分析能力，可用于无标记实时监测许多种类生物分子之间的反应。SPR 生化分析技术已成为直接实时观测生物分子间相互作用的主导技术。

Cho等[8]将3-(甲基丙烯酰胺基)丙基-二甲基(3-磺酸)氢氧化铵(MPDSAH)用ATRP引发接枝到金的表面，用SPR测定了接枝后样品和未接枝样品蛋白质(溶菌酶、纤维蛋白原、牛血清白蛋白和核糖核酸酶A)吸附情况的不同。综合四种模型蛋白的SPR数据，他们发现接枝了P(MPDSAH)的表面对非特异性蛋白质吸附的抑制可以与接枝了PEO表面相媲美，比接枝两性离子—磷酰胆碱类的膜表面更能抗蛋白质吸附。

2.5 双偏极化振干涉仪(DPI)

利用DPI技术可以实时在线监测蛋白质在界面上吸附过程中的细节，并得到吸附在表面的蛋白质密度、厚度和干质量随时间的变化信息，从而获得更精准的信息以揭示界面分子结构、功能以及相互作用过程中分子构象变化。DPI对于固/液界面上能够引起界面层厚度、密度变化的相互作用和生物分子结构功能的研究有着传统结构和表面分析技术无法比拟的动态、精确测量能力。但DPI由于采用的是消逝波的原理，因此只能探测到样品表面100 nm以内的信息。所以DPI对测试的样品要求较高，如：厚度、均匀性与芯片的结合力等都有要求，即DPI的测试样品有一定的局限性。

3 结语

血液相容性材料制备完成后的表面性能的表征是其关键步骤，实时在线的检测仪器及其相应的表征方法在血液相容性的领域得到了广泛的应用，通过以上表征手段可以有效评价改性材料与血液直接接触后是否引发血小板聚集、凝血及血栓形成和溶血现象等问题，推进材料的凝血机制研究。