光化学反应在生物材料表面修饰中的应用

蒋昊

摘 要：近几年，随着科学技术的快速发展，生物材料在众多领域起到越来越重要的作用，尤其是在详细了解表界面性质后，发现这对生物材料的研发也起到了积极作用。其中，光化学修饰不仅简单便捷，也具备可控性等诸多优点，是当前表界面修饰的重点研究内容之一。

关键词：表面修饰;光化学;生物材料;应用

随着细胞芯片等相关新兴科技的急速发展，生物医用材料表界面的性质已变得愈发重要。因此，通过有效模拟细胞外基质的结构，设计出各类细胞外基质的表面，以便深入了解蛋白质细胞之间相互作用的规律。在此基础上，各种各样的表面修饰法也就如雨后春笋般出现。在此过程中，光化学反应本身具有诸多特点，比如非侵入性。因此，这方面的研究越来越多，只需调控光源就能够达成最终试验目的，基于此，国内外科技工作者不断对其进行优化。

1 生物材料表面修饰相关的化学反应

由于光所参与的表面化学反应在通常情况下不会对材料本体造成任何损坏，可以在常温条件下进行，具备反应速度慢、毒性低、可控性等诸多优点。因此，在生物医药材料表面修饰中，也具备一定的特殊优势。近些年，随着该项技术的不断发展，也出现了一系列表面光化学反应法，其中就有硫醇-烯烃、四唑-烯烃以及光不稳定基团反应等。

1.1  硫醇-烯烃光点击反应

硫醇-烯烃光点击反应的主要特点在于简单高效、反应条件温和、容易提纯并且对水和氧气不会有任何敏感性的变化，具有良好的广泛适用性，这也是当前点击化学中最普遍的反应之一。但是按照分类，大体上可以分为两类：一类是迈克尔加成反应，另一类则是富含自由基引发的反应，主要原理是通过紫外线的照射光引发，即吸收光粒子所产生的自由基，在经过一系列的化学反应后，最终形成硫醚终产物，但也会受到其他因素的影响，包括引发剂的含量、酸碱度、溶剂等。这里还有一点需要引起重视，即发生在表界面时，还需要考虑接枝化合物的空间位阻效应，因此，面对这种情况，需要将炔基直接引入无光源环境中，但是要保证化合物不会产生任何反应[1]。接下来使用的方法就是通过光源的刺激转变为环辛炔，并且需要通过与叠氮的反应生成C2H3N3。使用这种方法可以得到高密度PEG聚合物，并且长期泡在磷盐酸溶液中仍然具备良好的抗污性能。考虑到铜离子本身具备一定的毒性以及环心炔类化合物修饰合成具有复杂性，对该项技术的推广也具有限制性。

1.2  四唑-烯烃反应

四唑-烯烃反应的概念是在20世纪60年代末提出的，经过多年的发展，直到21世纪初期，也就是在2008年，经过多位教授的重新研究之后，才引起人们的重视。四唑化合物在经过紫外线的强烈照射后，会释放氮气，具备一定活性的腈亚胺，然后经过一系列的化学反应后，就形成了较为稳定的吡唑啉共价环，同时，还可以发出淡淡的荧光用于标记，以此检测反应是否正在进行。相对而言，这种化合物的合成以及修饰具有一定的复杂性，因此，要想对其进行广泛的应用，也就存在较多的限制。

1.3  光不稳定基团反应

由于当前在对生物材料表面光化学反应修饰进行研究，对于邻硝基苄基及其衍生物的介绍相对较多，受到了很多试验机构的关注，因具备紫外光不稳定性并且其衍生物相对较多，在断键机理上也有很大的特别之处。利用这样的特性进行降解凝胶薄膜和光响应表面的制备，在动态响应表面制备上，相关人员通过将RGD多肽（精氨酸-甘氨酸-天门冬氨酸序列）放在PEG凝胶表层，充分利用其特点修饰RGD，使得细胞丧失粘附性。大量试验数据表明，将该材料直接接入小白鼠体内，在使用特定的设备照射以后，就能得到最终的试验数据，实现非侵入性时空调控RGD多肽暴露，很显然这对于今后血管老化以及炎症等相关研究起到了极其重要的作用。

2 表面光化学反应制备生物医用材料研究

2.1  化学仿生表面

在生理环境下，细胞基质的重要性日益凸显，首先，不仅能够为细胞提供相应的机械支撑，在一定程度上还能够有效控制其具体行为，比如新陈代谢、运输等。另外，仿聚肽、蛋白质的物质也会不同程度地影响细胞功能，并且在经过光化作用以后，也很容易在基底表面修饰上述功能化仿生基团。在仿生多肽表面制备上，就有学者尝试使用ATRP法與其他方法相结合，在聚碳酸酯型聚氨酯的表面引入HO（CH2CH2O）nH，有助于改变其表层清水性。同时，用半胱氨酸的内皮选择CAG修饰，那么试验的结果就能够帮助抑制血小板粘附，并且光化学反应也能够将蛋白分子修饰到其表面。此外，为了研究不同细胞外基质蛋白对肝脏细胞分化行为所产生的影响，有学者将6-己酸磺酸基琥珀酰亚胺酯双官能团分子作为偶联剂，然后将胶原蛋白等通过自动点样仪滴加到PAAG上，通过光的作用直接将其化学键接在凝胶表面，这样就可以详细观察整个试验的变化，进而得到最终的数据。

2.2  薄膜凝胶的硬度调控

细胞的新陈代谢以及运动等诸多行为容易受到外基质以及可溶性生长因子的影响。在此过程中，外机制为细胞的成长提供了一定的硬度，其变化范围为1～1 000 kPa，而研究人员大多以凝胶模拟细胞的外基质。由于光的特性，在二维薄膜凝胶的制备过程中，其硬度可以根据交联程度的不同作出相应改变，尤其是在改变了照射时间后，发现其程度得到了提高，光在其中也起到了极其重要的作用。但是大量试验表明，让人间充质干细胞（hMSC）在硬度更强的凝胶表面铺展和增殖，具体效果反而会更好[2]。在试验过程中观察细胞的具体行为，比如运动、运输在动态硬度微环境下所带来的具体影响。随着科技的快速发展以及对光学的不断研究，无掩膜光刻法早已被广泛应用于生物材料的制备中，并且在此基础上，有学者提出使用光可降解凝胶作为基底材料，然后使用无掩膜光刻法。接下来，就需要输入各种自制的8位灰度图片，目的就是实现指定照射区域范围内的光强，根据实际需求改变凝胶交联的密度大小，以便得到较为理想的试验结果。由于该方法在实际制作过程中可以根据试验需要调控精度，最高可以达到1 μm级别，而在此基础上，也制定了各种尺寸大小的硬度图像。如今，该方法可以用于研究间充质干细胞的迁移行为。

2.3  图案化和梯度表面

与其他反应相比，光参与的化学反应可以精准地调控光照时间以及强度等，因此，在制备生物材料表面方面具有极大的优势。例如在图案表面化的研究中，可以采用局部透光和不透光的光掩膜，如在单分子层的图案化修饰中，可以结合微接触印刷法，在修饰CN4H2分子的硅片上，与含有双键、三键的分子进行快速反应，制备蛋白阻抗，将聚合物刷在微图案上，采用激光扫描和光刻法，在一端为甘醇（CH2OH）2的单分子表面就会形成较为复杂的图形，并且在该分子较为离散的图案区域很容易粘附蛋白质。接下来使用特定的灰度图片，用激光进行扫描，也能够得到最终的光强。

在光调控表面聚合物和修饰密度梯度方面，可以有效利用光的作用引发一系列的化学反应，采用铱（lr）作为催化剂。由于其化学性质较为稳定，酸的稳定性较高[3]，可以制备在均衡引发剂修饰表面上简单时空可控的聚合物刷，并且通过传统光掩膜的作用，有效限制透光区域的增大。此外，没有受到光照的部分区域仍然具备一定的活跃性，要想进一步认识光化学反应机理，还需要通过大量的试验以及合理的设计，控制表面特定区域范围内的光通量，有效制备梯度表面。

2.4  微液滴阵列与光响应动态生物材料表面

在过去的30多年内，微型化概念被广泛应用于化学分析领域，近20年以来，随着生物科学技术的发展，对该概念理论的探究以及实际操作得到高度重视。尤其是微液滴环境模拟常规试验环境，有助于加快试验的速度，同时，此过程有利于降低各种成本。此外，光响应动态表面不仅可以实现非侵入性细胞粘附等作用，在时空控制上也具有重要的作用，这对于细胞的诊断以及后续的相关生物工程研究具有极高的实用价值。虽然在实际应用过程中仍然存在很大的缺陷，但是大部分的光响应表面通常是在光的作用下调控的，这也就导致这种行为或者方法对细胞造成了不同程度的损伤，并且组织的渗透性也相对较差，虽然后来UCNPs的相关案例也为该方面的研究带来了新的思路和方法，但是只有进一步拓宽现有研究范围，才能以更为简单和直观的方式获得更好的试验数据，对于该领域的发展也起到了积极的作用。

大量试验数据表明，微液滴阵列能够抑制鼠胚胎干细胞自发分化，这对于研究干细胞的生长分化起到了积极作用。此外，也可以用于研究微液滴阵单细胞培养以及传感器、芯片设计和药物组合的筛选等诸多方面。

2.5  生物材料高通量制备平台

为了加快生物材料的研发进度，已经从原有的单一因素研究转为多因素共同研究，在基因功能学以及组合化学等领域，化学反应在此过程中起到了极为重要的作用。大量试验数据表明，研究人员可以充分利用光的时空可控性来制备离散型的高通量微阵列，而在当前生物应用材料的研发过程中发现，该方法可以有效筛选出各种生物分子库，比如DNA蛋白质以及多种抗体等[4]。由此可见，生物材料高通量制备和表征为该领域医用材料的基本性能提供了较为广阔的研究前景。

3 結语

采用光化学的方式设计和修饰生物材料表面，不仅简单高效，还可以用于多个较为成熟的应用场景，单从表面化学修饰来看，硫醇-烯烃光点击反应使用次数相对较多。在此过程中，不需要较为复杂的合成，并且相关分子当中含有半胱氨酸，有利于材料的直接修饰。其他反应也存在不同的优点，因此，需要充分认识光化学反应在生物材料表面修饰中的应用。随着科技水平的不断提升，光化学反应具有广阔的应用前景。根据近几年科技发展的趋势以及研究的总体方向，今后关于光化学生物材料表面的研究会不断增加，并且在此过程中，还需要一些较为特殊的仪器来辅助。

[参考文献]

[1]刘萍，汪璟，郝鸿业，等.光化学反应在生物材料表面修饰中的应用[J].化学进展，2019（10）：1425-1439.

[2]杨璇.金薄膜电极表面修饰纳米ZrO2的DNA电化学生物传感器的构建及应用[D].杭州：浙江大学，2017.

[3]王卓，鲜于运雷，陈雯雯.纳米金上的化学表面修饰在生物分析中的应用[C].北京：中国化学会第29届学术年会论文集，2014.

[4]朱祥龙.纳米材料表面化学在生物分析中的应用[D].厦门：厦门大学，2016.