（材料学专业论文）聚氨酯表面亲水性改性.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 通过在聚氨酯表面引入亲水性物质来增强材料表面的亲水性，降低蛋白质 与膜表面的疏水作用，减少蛋白质的不可逆吸附，是一种有效改善聚氨酯表面抗 凝血性能的方法。本论文采用不同的接枝途径，在聚氨酯表面接枝不同的亲水性 物质，研究了改性后各种表面的抗蛋自质吸附的能力。 本研究主要分为两大部分，第一部分是采用将大分子直接接枝到表面的途 径，先将材料表面异氰酸根官能化，再将多官能度的三羟甲基氨基甲烷( i r i s ) 接枝到聚氨酯膜的表面，增加材料表面的官能度，然后将具有优异排斥非特异吸 附蛋白质能力的聚乙二醇( p e g ) 接枝到膜表面，起到提高膜表面亲水性和抗凝 血性能的目的。通过研究t d s 的接枝温度以及二次接枝4 ，4 - 二苯基甲烷二异氰 酸酯( m d i ) 的时间对膜表面亲水性和纤维蛋白原吸附量的影响，确定了i r i s 接 枝的最佳温度为o l o ，二次接枝m d i 的时间为4 h 。本文对p e g 链长和末端 基对膜表面亲水性和纤维蛋白原吸附量的影响进行了研究，结果显示，低分子量 的p e g 的分子量和末端基对膜表面亲水性的影响并不大，但对纤维蛋白原吸附 量的影响则比较明显。间隔基t r i s 对于p e g 改性效果的影响研究表明，由于空 间位阻效应的影响，t r i s 接枝后的表面并没有由于官能团的增加而提高p e g 在表 面的接枝密度。 第二部分是采用表面引发聚合接枝大分子的途径，先将聚氨酯膜表面异氰酸 根官能化，再将带有不饱和双键的亲水性物质如丙烯酸、丙烯酰胺、甲基丙烯酸 1 3 一羟乙酯等接枝到聚氮酯膜表面，然后通过自由基聚合或紫外辐射的方法，引 发双键聚合，将亲水性物质按枝于膜表面，形成致密的亲水层。论文对不同催化 剂对丙烯酸的接枝效果的影响进行了研究。还对不同的亲水性物质( 聚丙烯酸、 聚丙烯酰胺和聚丙烯酸1 3 一羟乙酯) 和不同的接枝方法( 自由基聚合、紫外辐射 接枝) 对聚氨酯膜表面的亲水性和纤维蛋白原吸附量的影响进行了对比。 关键词聚氨酯表面改性亲水性生物相容性 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i tw a sw e l lk n o w nt h a tt h eb i o c o m p a f i b i l i t yo fp o l y u r e t h a n ec o u l db ei m p r o v e d b yg r a f t i n gh y d r o p h i l i cm o l e c u l e st ot h es u r f a c e 勰t h eh y d r o p h i l i cs u r f a c ec o u l d r e d u c et h e n o n - s p e c i f i cp r o t e i na d s o r p d o ni nt h i sr e s e a r c h ，v a r i o u sh y d r o p h i l i c m o l e c u l e sw g r eg r a r e dt ot h ep o l y u r e t h a n eb yd i f f e r e n tm e t h o d t h eh y d r o p h i l i c i t y a n dp r o t e i nr e s i s t a n tp r o p e r t yo f r e s u l t i n gs u r f a c e sw e r es t u d i e d “o r a f it o ”m e t h o dw a se m p l o y e dt og r a f m a c r o m o l e c u l e st ot h es u r f a c ei nt h ef i r s t p a r to ft h i sr e s e a r c h p o l y u r e t h a n ew a sf a n e t i o n a l i z e db yd i p h e n y lm e t h a n e 4 ，4 - d i i s o c y a n a t e ( m d i ) ，a n df o l l o w i n gb yc o n j u g a t et r i st om a g n i f yt h ea m o u n to f f u n c t i o ng r o u p p o l y e t h y l e n eg l y c o l ( p e g ) w a sg r a f t e dt ot h es u r f a c e ，w h i c hh a db e e n m o d i f i e db ym d it h r o u g ht r i s t h er e a c t i o nc o n d i t i o n sw e l eo p t i m i z e db ys t u d y i n g t h ew a t e rc o n t a c ta n g l ea n dp r o t e i na d s o r p t i o no ft h em o d i f i e ds u r f a c e a l t h o u g ht h e h y d r o p h i l i e i t yo fm o d i f i e ds u r f a c ew i l t sn o ti n f l u e n c eb yt h ed i f f e r e n tm o l e c u l a r w e i g h ta n de n dg r o u p so fs h o r tc h a i np e g , t h ep r o t e i na d s o r p t i o no fd i f f e r e n t m o d i f i e ds u r f a c ec h a n g e ds i g n i f i c a n t l y d u et ot h es t e d ch i n d r a n c e ，g r a f t i n gp e g t h r o u g ht r i sd i d n ti m p r o v et h ep r o t e i nr e s i s t a n tp r o p e r t y 鼬w ee x p e c t e d t h e “g r a nf r o m m e t h o dw a sa p p l i e dt og r a f tm a c r o m o l e e u l e st ot h ep o l y u r e t h a n e i nt h es e c o n dp a r to ft h i sr e s e a r c h a f t e rf u n c t i o n a l i z e db ym d i ，p o l y u r e t h a n ew a s m o d i f i e db yv a r i o u sm o n o m e r si n c l u d i n ga c r y l i ca c i d ，a e r y l a m i d ea n d2 - h y d r o x y e t h y l m e t h a c r y l a t e f o l l o w i n gb yr a d i c a lp o l y m e r i z a t i o na n du vi n i t i a t i o n r e s p e c t i v e l y , d i f f e r e n th y d r o p h i l i cs u r f a c e sw e r ef o r m e d n l eh y d r o p h i l i c i t ya n dp r o t e i nr e s i s t a n t p r o p e r t yo f r e s u l t i n gs u r f a c e sw e r ed i s c u s s e d k e y w o r d sp o l y u r e t h a n es u r f a c e - m o d i f i c a t i o nh y d r o p h i l i c i t yb i o c o m p a t i b i l i t y n 此页若属实请申请人及导炻签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 豁蚴翩鼢弘 注：请将此声明装订在学位论文的目录前。 日期j ! 丝二， 武汉理工大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 生物材料的发展概况 世界人口老龄化、中青年创伤的增多、疑难疾病患者的增加和高新技术的发 展，极大推动了生物医学和生物技术的发展。生物医用材料( b i o m e d i c a lm a t e r i a l ) 是用于对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的 新型高技术材料。它是研究人工器官和医疗器械的基础，已成为材料学科的重要 分支，尤其是随着生物技术的蓬勃发展和重大突破，生物材料已成为各国科学家 竞相研究和开发的热点。当代生物材料已处于实现重大突破的边缘，不远的将来， 科学家有可能借助于生物材料设计和制造整个人体器官，生物医用材料和制品产 业将发展成为本世纪世界经济的一个重要支柱产业。 生物医用材料的应用很早，早在公元前5 0 0 0 年就已经用人工牙植入口腔颌 骨来修复失牙。公元前3 5 0 0 年，古埃及人用棉线、马鬃等缝合伤口。公元前2 5 0 0 年的中国、埃及墓葬中已发现有假牙、假鼻、假耳等假体。1 8 5 1 年发明了天然 橡胶的硫化方法后，人们开始采用天然高分子硬胶木制作人工牙托和颚骨。但由 于当时工业不发达，直到2 0 世纪3 0 年代，随着工业的兴起才出现少数几种医用 材料。例如，1 9 3 6 年有机玻璃用于临床。1 9 4 3 年赛璐珞薄膜开始用于血液透析。 2 0 世纪中后期，高分子工业的迅猛发展推动了生物医用材料的发展，高分子材 料开始广泛应用于医学领域。5 0 年代，有机硅聚合物开始用于人体组织的修复 和替代。6 0 年代初，聚甲基丙烯酸甲酯开始用于髋关节的修复。到了7 0 年代， 随高分子化学工业的发展，出现了大量的医用新材料和人工装置，如人工瓣膜、 人工血管、人工肾透析用膜、软组织增强、心脏起搏器以及骨生长诱导剂等。7 0 年代以后，由于生物医学工程、材料科学和生物技术的发展，医用高分子材料及 其医疗装置又得到迅速发展，如植入型全人工心脏、肝、肾、胰、膀胱、皮、骨、 接触镜、角膜、晶体、内外耳修复、心瓣膜、各种尺寸的血管，以及手术缝线都 得到了临床应用。 生物医学材料应用广泛，仅高分子材料，全世界在医学上应用的就有9 0 多 个品种、1 8 0 0 余种制品，西方国家在医学上消耗的高分子材料每年以1 0 2 0 的速度增长。1 9 9 0 1 9 9 5 年，世界生物医用材料市场以每年大于2 0 的速度 增长。中国增长较快，但由于起点低，其市场份额约占世界市场的2 。近年来， 生物材料市场发展势头迅猛，其发展态势已可与信息、汽车产业在世界经济中的 地位相比。当代生物医学材料产业仍是常规材料居主导地位。2 0 0 0 年全球医疗 器械市场已达1 6 5 0 亿美元，其中生物医学材料及制品约占4 0 5 0 。上世纪 武汉理工大学硕士学位论文 9 0 年代医疗器械平均年增长率为1 1 左右，预计1 9 9 9 2 0 0 4 年将有所增高，其 中发展中国家增长最快。例如，除日本外的亚洲地区将从2 0 0 0 年占世界市场份 额1 7 的2 8 0 亿美元，增长至2 0 0 5 年占世界市场份额的2 5 。矫形外科修复材 料及制品的世界市场增长率可达2 6 ( 1 9 9 9 2 0 0 5 ) ；预计工程化组织和器官上 市后，可开拓8 0 0 亿美元的新市场；人造皮肤、组织粘合剂及术后防粘连制品年 增长率可达4 5 ；心血管系统修复材料、血液净化材料、药物缓释材料也是高 速增长的领域。与此同时，生物材料前沿研究不断取得进展，将开拓更为广阔的 市场空间，并为常规材料的改进和创新提供导向。预计在今后1 5 2 0 年间，生 物医学材料产业可达到相当于药物市场份额的规模。 1 2 生物材料的分类 生物材料的分类有多种，其中根据材料的组成，生物医用材料可分为4 类【l 】。 1 医用金属和合金目前所用的医用合金主要是不锈钢、钴基合金以及钛和钛 合金，主要用于骨骼、关节、牙齿等硬组织的修复或替换。其中钛和钛合金具有 良好的生物相容性、接近骨的弹性模量、抗疲劳、耐腐蚀，因而受至n 特别重视。 医用金属和合金的主要缺点是不具有生物活性，难于和生物组织形成牢固的结 合。目前，除了优化材料的整体性质外，主要通过表面涂层进行改性处理，以提 高其生物稳定性。 2 医用生物陶瓷医用生物陶瓷是一类正在迅速发展的生物材料，可分为生物 惰性陶瓷和生物活性陶瓷两类。生物惰性陶瓷主要是氧化铝、氧化钴等，其特点 是能在生理环境中具有高的强度和耐腐蚀性，化学稳定性好；但是它们不具有生 物活性，与生物组织问的结合基本是机械嵌连。随制备方法的不同，有单晶氧化 铝、多晶氧化铝和多孔氧化铝等，主要用于人工肩关节、膝关节、肘关节、足关 节以及能够负重的骨杆和椎体人工骨。生物活性陶瓷主要是羟基磷灰石( h a ) 陶瓷和磷酸三钙( t c p ) 陶瓷等。羟基磷灰石是构成脊椎动物和人体硬组织的主要 无机质，不仅具有良好的生物相容性，而且可以诱导骨生长并和生物组织形成牢 固的键合；加之原料易得，制各工艺技术不太复杂。主要有湿法、干法和水热法。 因此，生物活性陶瓷己成为医用生物陶瓷发展的主要方向，通过补强增韧可迸一 步提高生物活性陶瓷的强度和实用性。 3 医用高分子材料包括天然高分子物质和合成高分子材料，广泛用于人工皮 肤、角膜、肌腱、韧带、血管、人工脏器等组织和器官的修复与制造。合成高分 子如聚四氟乙烯、聚硅氧烷、聚氨酯、聚酯等已在临床应用，其缺点是大多不具 有生物活性。下表是几种医用高分子材料和它们的用途。 2 武汉理工大学硕士学位论文 聚二甲基硅氧烷、弹性硅树脂( p d m s ) 聚亚胺酯 聚四氟乙烯( p 强) 聚乙烯( p e ) 聚砜( p s u ) 聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 聚2 羟基乙基甲基丙烯酸酯( p 髓m a ) 聚丙烯腈( p a n ) ，聚酰胺 聚丙烯( p p ) 聚氯乙烯( p v c ) 乙烯和氯乙烯共聚物 聚苯乙烯，( p s ) 聚己内酯( p c l ) 1 、8 一辛二醇和柠檬酸共聚物( p o c ) 聚甘油癸二酸酯( p g c ) 聚乳酸( p l a ) 、聚羟基乙酸( p g a ) 聚羟基脂肪酸酯( p h a ) 心脏瓣膜、导尿管、药物输送载体等 人工心脏、心室辅助装置导管、起搏 器 心脏瓣膜、血管移植、面部整容、膜 产氧器、手术缝线 臀部整形、导尿管 心脏瓣膜、男性生殖器整形 隐形眼镜膜、假牙 隐形眼镜膜、导尿管 渗透膜、手术缝线 血浆除去膜、手术缝线 血浆除去膜、血袋 药物输送载体 组织培养瓶 药物输送载体、手术缝线 药物输送载体、手术缝线、心脏瓣膜、 组织培养 药物输送载体、手术缝线、心脏瓣膜、 组织培养 药物输送载体、手术缝线 药物输送载体、手术缝线、心脏瓣膜、 组织培养、血管移植、整形等 4 医用复合生物材料由于复合材料具有单个组分材料所不具有的各种性能的 组合，因此将不同种类的生物材料进行复合化，就可以得到医用复合生物材料。 1 3 生物材料的发展趋势【2 】 1 ) 改进和发展生物医用材料的生物相容性评价方法；随着新兴生物医用材料的 产生，首先需要对其生物相容性评价进行改进和发展。今后新的评价应该从过去 单纯对机体的急慢性炎症、免疫学反应、热源、遗传毒理和致畸、致癌及血液反 应进行评价，转而对材料与机体所有信息进行有机的全面研究和评价。简单的归 纳为以下几个方面：植入体内的材料对全身各个组织、器官的全面生理影响； 降解材料的降解产物在体内的吸收代谢过程：组织工程支架材料对细胞组织 武汉理工大学硕士学位论文 或器官基因调控以及信息传递等的影响。 2 ) 材料表面改性的研究：为了提高材料的生物相容性，除了设计、制造性能优 异的新材料以外，对材料进行表面改性是一个不可缺少的途径。这是因为，在材 料植入体内时，材料的表面性质在生物学反应中起着至关重要的作用。首先，这 是因为材料的表面和本体部分在形态和组成上有差异，会引起分子重排、表面反 应等。其次，对于那些不释放、不渗出生物活性或有毒物质的生物材料而言，表 面性质决定它的生物学反应。因此，生物体与材料的初期反应必然依赖于材料的 表面性能。目前，用于材料表面改性的方法主要有化学接枝、等离子体表面改性、 离子注入表面改性、紫外光辐射接枝、表面涂层、表面自组装单分子层等。 3 ) 研究新的降解材料：降解材料今后研究发展的趋势是设计制作具有特殊功能 的材科，例如低模量、高柔顺性、高强度的材料，用于手术缝线及外科高柔软性 导管等；研制能在体内维持较长时间的高强度可吸收缝合线等。 4 ) 研究具有全面生理功能的人工器官和组织材料：在组织工程与人工器官、软 硬组织修复与重建方面，对材料的功能提出了新的挑战。材料不仅是惰性植入体， 而且要具有生物活性。它能引导和诱导组织、器官的修复和再生，在完成上述任 务后能自动降解排出体外。为此需研究新型降解材料，使降解速度和性能能够与 新生组织或器官相匹配和同步。需进一步确定支架材料的生物相容性、机械强度、 力学行为，释放各种促使细胞生长增殖的活性因子。研究材料基质与细胞组织之 间的信息传递和相互作用原理。用自组装方法制备仿生新材料，大力开展对细胞 和组织生长能进行引导、诱导、增殖以及防止免疫排斥的隔离材料。总之，要创 建新一代具有全面生理功能的人工器官和组织，真正实现受损器官的修复。新一 代器官具有生理、生化、力学和生命的所有功能。 5 ) 研究新的药物释放体系和药物载体材料：随着人们生活水平的提高，对药物 释放和药物载体提出了新的要求。例如，靶向药物释放体系的研究可提高疗效， 降低药物用量和毒副作用。智能性药物释放是今后研究的重要方向，它可随外界 条件的要求和变化释放药物。 1 4 高分子生物材料的发展历史 高分子生物材料是高分子科学和生命科学相互渗透和发展的产物，是可以植 入生物体系统内或能较好与生物体相结合而设计的高分子材料。它涉及的范围很 广，既包括一次性使用的医用高分子材料，如注射针筒，导管血袋、尿袋等高 分子手术医用材料，也包括长期与人体接触的材料，如人工脏器人工关节、人 工血管等。 合成高分子生物材料的发展经历了自发应用和有目的分子设计两个阶段。第 4 武汉理工大学硕士学位论文 阶段始于1 9 3 7 年用工业甲基丙烯酸甲酯制造义齿的牙床。在当时，工业高分 子材料在医学中的自发应用的高分子材料都是工业上已有的现成材料：第二阶段 始于1 9 5 3 年医用级有机硅橡胶的出现，及随后发展起来的聚羟基乙酸酯合成以 及四种不同抗凝血聚( 醚氨) 酯心血管材料，从此便进入了以分子工程研究为 基础的发展时期。第二个阶段的特点是在分子水平上对合成高分子的组成，配方 和工艺进行优化设计，从而不断开发出新的高分子生物材料。 迄今为止，高分子生物材料在人工器官医药以及医疗器件等方面的研究与 运用已取得了令人瞩目的成果。用于人工器官的高分子材料除了不能作为大脑神 经，胃肠材料外，其它各种器官都可用它代替。此外高分子生物材料还用于医疗 器件包括导管，注射筒，输液袋、缝合线等器具，医用粘合剂，诊断用固定化生 理活性物质，固定化酶以及生物传感器等。 高分子生物材料和其它的生物材料相比，有两个比较显著的优点：其一，容 易加工成型，使用范围广泛，高分子生物材料既可以作为软组织材料，又可以作 为硬组织材料：其二，生物体组织，细胞，体液等为天然高分子，因此，有机高 分子材料在性能上比较接近生物体组织，从而使其制成的人工器官有可能作为人 体器官的替代物。 1 5 生物材料的表面结构及其抗凝血性能 生物材料长期( 或临时) 与人体接触时，必须充分满足与生物体环境的相容 性，即与生物体不发生任何毒性、致敏、炎症、致癌、血栓等生物反应，而这些 都取决于材料表面与生物体环境的相互作用。因此，控制和改善生物材料的表面 性质，是改善和促进材料表面与生物体之间有利的相互作用、抑制不利的相互作 用的关键途径。对材料与生物体相互作用机制的大量研究表明：生物材料表面的 成分、结构、表面形貌、表面的能量状态、亲( 疏) 水性、表面电荷、表面的导电 特征等表面化学、物理及力学特性均会影响材料与生物体之问的相互作用。通过 物理、化学、生物等各种技术手段改善材料表面性质，可大幅度改善生物材料与 生物体的相容性。目前这个领域已成为生物材料学科中最活跃、最引人注目和发 展最迅速的领域之一。目前，国内外公认的有较好抗凝血性能的表面主要有以下 几种【3 棚： ( 1 ) 带有负电荷表面血管内壁、血细胞表面、血液中的多种组分都带有负 电荷，有人提出负电性的血管内壁与负电性的血液成分间的静电排斥作用有利于 抗凝血。通过对正离子过剩或负离子过剩的聚离子复合物、聚电解质和导电高分 子的研究，发现表面带有负电荷对提高抗凝血性有一定的作用。此外，表面电荷 密度与电荷分布，血液中蛋白质和c a 2 + 等的相互作用，对抗凝血性都有影响。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 亲、疏水性表面蛋白质分子与疏水性材料表面相接触时，会与材料表 面发生强的疏水与疏水相互作用而导致蛋白质分子构象改变，使得蛋白质分子如 纤维蛋白原在材料表面发生不可逆吸附，产生凝血现象。改善材料表面的亲水性， 可以减少蛋白质在材料表面的不可逆吸附量，提高材料的抗凝血性。 ( 3 ) 微相分离结构表面聚合物的微相分离结构对血液相容性具有促进作 用。按照生物膜流动镶嵌模型，生物膜主要由脂质和蛋白质组成。脂质的主要成 分磷脂是两性分子，其亲水部分和疏水部分以双分子层形式排列，亲水部分在表 面，疏水部分朝向膜的中间，构成生物膜骨架；蛋白质镶嵌在脂质双层中，构成 脂质亲水区和蛋白质疏水区相互镶嵌的微观非均相结构。生物膜的血液相容性应 该是最理想的，因而具有亲水疏水微相分离结构的共聚物材料可能具有良好的 血液相容性。n a k a j i m a 的“覆盖控制”( c a p p i n gc o n t r 0 1 ) 模型指出，血浆蛋白质 在材料表面的吸附由材料表面的微相结构控制，亲疏水性不同的蛋白质被选择性 地吸附在不同微区。这种特定的蛋白质吸附层结构不会激活血小板表面的糖蛋 白，血小板的异体识别能力无法体现，从而阻碍凝血发生。 ( 4 ) 表面形成伪内膜将聚合物表面加以伪饰( m a s k i n g ) ，使其不被血液视为 异物。材料和血液接触初期，在表面形成一层红色血栓膜，继而内皮细胞在这层 纤维蛋白表面生长，形成与血管内膜相同的“伪内膜”，因而不再有血栓形成。 例如，在膨胀型聚四氟乙烯( e - p t f e ) 人造血管内种植内皮细胞制成的伪内膜人工 血管已临床应用。但是这种方法对微细人工血管( 如直径在6 m m 以下) 尚欠不足， 原因是微细人工血管很细，血管被血栓膜或长出的内皮细胞阻塞。 ( 5 ) 抗凝血生物活性表面在聚合物表面引入生物活性物质，抑制血液与外 源材料的相互作用。多种生物活性物质都具有较高的抗凝血性，可在材料表面通 过吸附、离子键合、共价键合等方式引入生物活性物质，制成所谓的生物活性抗 凝血材料。这种方法中应用最多的是肝素( h e p a r i n ) 抗凝血剂，另外还可以将具有 纤溶作用的生物活性物质( 如纤维蛋白溶酶、尿激酶、链激酶等) 固定在材料表面， 起到抑制血栓形成的作用。 作为与生物体组织相接触的生物医用高分子材料，在应用于生物体前必须研 究其生物相容性( 组织相容性和血液相容性) 。当前，世界范围内的研究方法之 一是利用本身具有良好组织相容性的高分子材料，如聚氨酯( p u ) 、聚二甲基硅 氧烷( p d m s ) 等，对其表面进行改性，提高其血液相容性。表面技术的发展是 生物材料学科最活跃、最引人注目和发展最迅速的领域之一。 1 6 生物医用高分子材料的表面改性 高分子材料由于具有良好的物理机械性能和化学稳定性能而被广泛应用于 6 武汉理工大学硕士学位论文 人工器官、组织工程、骨组织修复、外科整形以及药物控释等领域。然而大多数 人工会成的商分子材料，例如应用于组织工程的聚乳酸( p l a ) 、聚羟基乙酸 ( p g a ) 、聚己内酯( p c l ) 和聚氨酯( p u ) 等表面都是生物惰性的，因此有必 要对人工合成的高分子生物材料进行表面改性，既可以赋予材料表面良好的生物 相容性，又可以保留材料本体的性质如化学与降解性能、物理机械性能等不发生 改变。 目前常用的生物材料表面改性的技术主要有以下几种： 1 ) 表面涂层( c o a t i n g ) ：物理吸附或涂层是最为简便的生物材料表面改性 技术。在化学惰性的聚合物表面涂敷一层具有良好生物相容性的材料，可显著提 高其生物相容性。表面涂层的关键是要采取一定措施提高涂层的稳定性。 2 ) 等离子体( p l a s m a ) 、辉光放电( g l o wd i s c h a r g e ) 、电晕放电( c o r o n a d i s c h a r g e ) = 等离子体、辉光放电和电晕放电处理是应用广泛的生物材料表面改 性技术之一。影响等离子体改性效果的主要因素为反应气成分、等离子体功率、 气体流速和处理时间。最常采用的反应气体为空气、含氮化合物( 如氮气，氨类 化合物) 和含硫化合物( 如二氧化硫等) 。通过等离子体或放电处理，可将一些极 性的含氧、含氮( 如氨基和酰胺基) 或含硫基团引入化学惰性的材料表面，提高 其生物相容性。 3 ) 表面接枝聚合( g r a f t i n gp o l y m e r i z a t i o n ) ：表面接枝聚合也是一种应用广 泛的生物材料表面改性技术。通过使具有某种特殊官能团的单体与材料表面发生 接枝聚合反应可将这种特定的官能团固定于材料表面，改善材料的生物相容性。 改性的关键是如何在化学惰性的材料表面引入活性基团。 4 ) 化学气相沉积( c h e m i c a lg a sd e p o s i t i o n ) ：化学气相沉积技术主要被用来 在金属材料表面引入一层有机材料，它是将有机化合物的蒸气进行电离，然后使 其在低温的金属表面沉积聚合。 5 ) 离子束注入( i o n b e a mt r a n s p l a n t a t i o n ) ：将具有一定能量和密度的离子柬 射向材料表面，可改变材料表面的化学组成。离子束技术已广泛应用于提高由钛 制成的矫形外科部件的耐磨性。用离子束技术也可以改交高聚物的表面能、亲水 性和耐磨性。 6 ) 表面刻蚀：由于酸、碱的腐蚀性，许多聚合物都可以在酸或碱中进行表 面腐蚀来提高其亲水性。酸碱处理还可以用于金属材料的表面改性。 7 ) 分子组装：材料表面的分子自组装包括自组装单分子层和自组装多层膜 修饰技术。自组装单层膜是通过有机分子在固体表面吸附而形成的有序分子膜。 通过控制自组装分子层的种类、厚度等，可以改变材料表面能量状态、荷电状态、 亲疏水性、蛋白质吸附行为及细胞生长行为等。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 7 聚氨酯生物材料及其改性方法 聚氨酯弹性体( p u ) 具有优异的机械性能和化学性能；其组织相容性好， 耐微生物，易于加工，并且能采用通常的方法灭菌，因而适用于医疗环境。从 2 0 世纪5 0 年代开始，聚氨酯作为一类生物医用材料，其应用日益广泛，特别是 在植入人体的各种医疗用品如人工心脏瓣膜、人工肺、人工皮肤、人工血管等方 面的应用尤其受到全世界范围内的关注。尽管聚氨酯弹性体是公认的血液相容性 相对较好的高分子生物医用材料，但是其血液相容性还不够理想，当其作为异体 植入生物体内时，仍可能产生凝血及血栓现象。由此，对聚氨酯进行改性以提高 其生物相容性成为国内外学者研究的重要课题之一。另外，生物材料与生物体接 触后，与机体首先发生作用的是材料的表面，因此改善聚氨酯弹性体表面的组成 和结构是此课题要解决的关键问题。 1 7 1 聚氨酯的结构和性能与生物相容性的关系 聚氨酯是由软段、硬段组成的多嵌段共聚物，软段通常为聚醚、聚酯、聚丁 二烯、聚二甲基硅氧烷等，硬段为脲基和氨基甲酸酯基，软硬段各自形成不同的 微区分散在聚氨酯基体中，形成微相分离结构。聚氨酯的微相分离结构是影响其 生物相容性的重要因素。例如，在对聚氨酯的微相结构进行一系列研究后， t m g e y l 7 1 等认为微区直径为8 0 - - 1 0 0 a 的聚氨酯的微相分离结构对吸附蛋白质的 结构影响不大。因为由1 0 0 2 5 0 个氨基酸残基组成的蛋白质的微区大小约为 2 5 a ，这个尺寸与聚氨酯的微区尺寸相近。t m g e y 等推测由予聚氨酯的这种微相 结构对蛋白质的二级、三级结构的影响小，所以当蛋白质吸附到材料表面后，其 性质基本不会改变，因而由蛋白质吸附引发的异体识别能力和凝血反应受到抑 制。 此外，聚氨酯表蘧形貌和化学组成对其生物相容性的影响也不可忽视t s , 9 1 。 例如，f u j i w a r a t 加】等合成了一种远螯型的聚氨酯材料，该聚氨酯软段部分的侧链 上分别含有部分氟化的疏水性基团和亲水性的低聚烷基醚。通过控制聚氨酯软段 序列上的亲水部分和疏水部分的比例，可以影响材料表面的微观形貌和亲水性。 在不同的环境条件下，材料表面可以实现亲疏水性的转变。两聚氨酯表面的亲疏 水性转变可能会影响材料表面与生物体的相互作用，从而影响材料的生物相容 性。又如，j i l t l 蝽先在水溶液中用由l y s ( 赖氨酸) 、s e r ( 丝氨酸) 和g l y ( 甘 氨酸) 组成的多肽s e r - g l y g l y - l y s - l y s l y s l y s g l y g l y - s e t ( s g g k k k k g g s ) 与一氧化氮反应生成一氧化氮供体( s g g 瞰【n ( 0 ) n 0 】4 g g s ) ，然后在合成聚氨 酯的扩链阶段，在聚氨酯的主链上引入这种一氧化氮供体。在生理环境中，这种 聚氨酯能释放出n o 。由于n o 能大幅抑制血小板粘附。刺激内皮细胞的生长， 8 武汉理工大学硕士学位论文 抑制平滑肌细胞增殖，因而大大改善了聚氨酯的血液相容性，同时材料的弹性模 量和拉伸性能也有所提高，提高了聚氨酯材料在小孔径血管材料应用方面的潜 力。另外，当聚氨酯材料植入活体后，可能会引起机体的感染。其原因在于细菌 在材料表面粘附形成生物膜，而生物膜的形成又为细菌的大量增殖生长提供了场 所。为解决这一问题，国内外学者进行了很多相关工作【1 2 j 。例如，m a k a l 1 3 1 等合 成了一种侧链含有部分氟化基团( 一c h 2 0 c h 2 c f 3 ) 和5 , 5 一二甲基乙内酰脲 ( 5 ，5 - d i m e t h y l h y d a n t o i n ) 的聚氨酯。该基团富集在材料表面，与次氯酸盐反应 后，5 ，5 一二甲基乙内酰脲上的酰胺基团转化为氯化酰胺，具有杀菌功能，能在 短时间内有效的杀死革兰氏阴性菌( 绿脓杆菌、大肠杆菌) 和革兰氏阳性菌( 金 黄色葡萄球菌) ，大大提高了材料的抗菌性能。 1 7 2 表面改性对表面性能和生物相容性的影响 与上述的通过调整聚氨酯材料的组成与结构来改善其生物相容性的方法相 比，表面改性是一种能直接有效地改善材料表面性能，提高其生物相容性的方法。 目前，国内外用于聚氨酯表面改性的方法很多，大体上可分为物理吸附法和化学 接枝法两类。 l 物理吸附 物理吸附是常用的表面改性方法之一，它是通过分子间的亲疏水、离子电荷 及氢键等作用，使具有良好生物相容性的物质富集到聚氨酯表面，从而改善其表 面的生物相容性。聚乙二醇( p e g ) 类物质具有优异的排斥非特异性蛋白的能力， 被广泛的用于改性多种材料表面，提高材料的血液相容性【l s 1 。通过物理方法将 p e g 吸附在材料表面，其方法简单，但由于p e g 与材料表面是物理结合，结合力 弱，并且p e g 有很好的水溶性，所以在生理环境中，p e g 容易从表面脱落。因 此，如何提高p e g 在聚氨酯表面的吸附稳定性，是物理吸附法的需要解决的问题， 为此国内外学者进行了不少相关的研究。利用含p e g 链段的两亲聚合物中疏水 部分与材料表面间的强的结合力，将p e g 稳定的吸附于表面是一种较常用的方 法。例如，c h r i s t i n a 1 9 1 等在乙醇水溶液中将三种两亲共聚物( 两种接枝共聚物和 一种嵌段共聚物) 分别吸附到聚氨酯表面来改善材料的生物相容性。其中，两种 接枝共聚物的主链分别为苯乙烯一丙烯酰胺共聚物( s t y 2 ) 以及甲基丙烯酸甲 酯一丙烯酸异辛酯共聚物( a c r y ) ，侧链均含有p e g 链段；而另外一种为p e g 和p p g ( 聚丙二醇) 组成的嵌段共聚物p e g p p g p e g ( p e 9 4 ) 。实验结果表明， 与未改性的聚氨酯表面相比，改性后聚氨酯表面的水接触角并无明显变化，且 a c r y 和p e 9 4 在聚氨酯表面吸附量少。但对改性后材料表面纤维蛋白原( f g ) 的吸附量进行研究发现，虽然p e 9 4 改性聚氨酯的纤维蛋白原吸附量的降低程度 9 武汉理工大学硕士学位论文 不高，但是a c r y 和s t y 2 改性聚氨酯的纤维蛋白原的吸附量明显下降。同时， c h r i s t i n a 等认为这类两亲聚合物之所以在材料表面的物理吸附稳定性比较高是 因为它们是表面活性物质，容易吸附在界面上，且与材料表面的结合力较强。并 且，这类两亲聚合物在材料表面的吸附稳定性依赖于两亲聚合物和基材问的亲水 亲油性、吸附环境以及两亲共聚物的扩散程度。 2 化学接枝 物理改性法虽然简单易行，但存在着改性物质与基材结合力弱，容易从材料 表面剥落的弱点。而通过化学方法在聚氨酯材料表面接枝具有良好生物相容性的 物质时，改性物质与聚氨酯基材之间是化学键相连，改性物质在材料表面的稳定 性好。化学接枝法是目前国内外学者主要采用的方法。常用于聚氨酯表面生物相 容性改性的物质主要有以下几类：亲水性物质、带电物质和生物活性物质等。 1 ) 表面固定亲水性物质疏水性的材料表面与血液接触后，能与血液中的蛋 白质发生强的疏水与疏水相互作用，使蛋白质构象改变，从而导致大量蛋白质如 纤维蛋白原在表面的不可逆吸附，产生凝血现象。在聚氨酯表面接枝亲水性物质， 能减小表面与蛋白质的相互作用，减少蛋白质在材料表面的吸附，提高生物相容 性，因此材料表面的亲水性改性是提高材料表面生物相容性的方法之一。常用的 亲水性改性物质有聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙二醇等。 聚丙烯酰胺在水溶液中具有低的界面张力，对蛋白质和血细胞的吸附量少， 常被用于改性聚氨酯。例如，c a l l e w a e r t l 2 0 1 等在4 8 0 n m 的紫外光照射下，利用主 引发剂微黄曙红( e o s i n ey e l l o w i s h ) 和副引发剂n 甲基二乙醇胺的协同作用， 在溶液中将聚丙烯酰胺接枝到聚氨酯膜表面。改性后，材料表面的亲水性增强， 水接触角从8 5 。降到3 1 。 c h o i p q 等先用氧等离子体活化聚氨酯表面，然后将其置于空气中形成过氧化 物，再利用过氧化物作为引发剂，将丙烯酸接枝到聚氨酯表面。改性后，聚氨酯 表面丙烯酸的接枝密度比较高( 6 0 ) ，并且材料表面的亲水性显著提高，水接 触角从7 1 3 。降低到1 7 2 。 聚乙二醇( p e g 不仅亲水性好，而且是国内外公认的具有良好生物相容性 的物质，近几十年来被广泛的用于改性生物材料以减少蛋白质的非特异性吸附和 血小板的黏附，提高生物相容性。此外p e g 链的链长和末端基的类型对生物材 料的抗凝血性能也有影响 2 2 , 2 3 1 。例如，为了探索p e g 链长和末端官能团对生物 相容性的影响，p a r k 2 4 1 等用不同链长、不同端基( 如羟基，氨基，磺酸基，聚乙 烯基葡萄糖酶以及肝索等) 的p e g 来改性聚氨酯。结果显示，所有种类的p e g 都能明显减少细菌的吸附和增殖，但对于不同端基来说，降低程度不同。相对而 言，肝索封端的长链p e g 在所有类型中，细菌的吸附和增殖是最低的。p a r k 等 i o 武汉理工大学硕士学位论文 认为，用p e g - s 0 3 ，p e g 3 4 k 和p e g 3 4 k - 肝素改性的p u 在阻止细菌吸附和后 续感染方面是非常有效的。同样，b e m a c c a 2 5 蝽研究发现，接枝大分子量p e g 的聚氨酯表面能活化x i i 因子，减少血小板释放，降低补体活化能力，提高了材 料的抗凝血性。 2 ) 表面固定带有电荷的物质由于血液中的多种组分在正常的生理环境下 都是带负电荷的，因此在聚氨酯材料表面接枝带有负电荷的基团或化合物，由于 静电排斥作用，能降低蛋白质在表面的吸附量，提高材料的抗凝血性能。例如， s a i t o 脚1 等利用叠氮基团的光化学活性，用紫外光辐射法将一端带苯基叠氮基团， 另一端带磺酸基的p e g 接枝到聚氨酯表面。该方法简单，后期处理简易且产物 比较纯净。实验结果显示，改性后聚氨酯表面的水接触角从7 5 。降低到3 4 。 同时，材料表面不仅血小板黏附降低，而且在有抗凝血酶存在下能抑制f x a ( 凝血因子x a ) 的活性。当然，在聚氨酯表面接枝某些带正电的物质，也能够 改善材料的生物相容性。例如，z h u 2 7 等先氮化聚氨酯的表面，再把聚氨酯膜用 盐酸处理后浸泡在带负电的聚电解质溶液中，在表面形成一层聚阴离子；然后再 将其浸泡于带正电的胶原溶液中，通过静电作用，又可以在表面形成一层聚阳离 子。对带不同电荷的聚氨酯表面进行体外内皮细胞培养试验，结果表明，由于静 电排斥作用，带负电的p u 膜表面不利于细胞的黏附、迁移和增殖；而带正电的 p u 膜表面则与之相反。而聚氨酯表面内皮细胞的生长有利于在表面形成伪内膜， 提高材料的抗凝血性。因而，在聚氨酯表面接枝带正电的胶原也能改善材料的生 物相容性。 3 ) 表面固定生物活性物质天然或合成的生物活性物质本身就具有良好的 生物相容性，通过离子键合、共价键合等方法，在聚氨酯表面接枝生物活性物质， 能有效的改善材料的生物相容性。常用的生物活性物质有肝素、多祷、氨基酸、 磷脂等，其中应用最多的是肝素类抗凝血剂。肝素能与抗凝血酶结合，使其构 型发生改变，活性位点充分暴鳝，并迅速与许多凝血因子结合，形成稳定复合物， 从而抑制这些凝血因子的活性，发挥抗凝作用。例如，a l f e d e v 等通过溴甲基化 反应活化聚氨酯硬段的n - h 键，然后分别在表面接枝胆固醇伫8 l 、二麟酸酯 2 9 3 0 l 和肝索 a t 】。结果表明，接枝胆固醇【2 8 培，聚氨酯表面内皮细胞的黏附增强，且在 相当于动脉的剪切压力( 2 5 d y n e s e m 2 ) 作用下2 h 后，仍有9 0 6 2 3 以上的内 皮细胞保留在材料表面，细胞在表面的保持能力显著提高。接枝二膦酸酯f 2 9 】后， 对改性后的聚氨酯进行老鼠皮下种植以及羊肺动脉瓣尖替代试验。试验结果显 示，老鼠皮下种植6 0 天以及羊肺动脉瓣尖端替代9 0 天，聚氨酯表面均没有明显 钙化现象出现，聚氨酯的抗钙化能力显著提高，有利于聚氨酯在心血管材料方面 的应用。而对于接枝肝素的聚氨酯1 3 l 】来说，肝素的接枝密度比较高，达到了1 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 o 0 6 p g c m 2 ，并且在有抗凝血酶h i ( a t i i i ) 存在的条件下，能抑制f x a 的活 性，有强的抗凝血活性。但是与此同时，血小板因子i v ( p f 4 ) 的结合量由改性 前的低于o 0 0 1 n g c r n 2 提高到o 1 4 + _ 0 0 2 t t g c m 2 ，由于p f 4 是血小板分泌的蛋白 质，能与肝素相结合，因此它在表面的累积会降低肝素的抗凝血性，而且肝素的 抗凝血活性有可能会被p f 4 因子所掩盖。由此，a l f v - 丑- i e v 等认为在动物体内进行 种植实验可能是评价这类肝素化表面更合理的方法。 磷酸胆碱由亲水基团和疏水基团组成，能形成脂质双分子层结构，是一类具 有良好生物相容性的物质，近年来受到国内外学者的广泛关注。两性离子单体硫 代甜菜碱( 甜菜碱又名三甲基甘氨酸) 是一种磷酸胆碱类物质，y u a n 等研究发 现，当这种两性离子单体与血液相接触时，由于能充分保持物质本身的正常构型， 因而具有良好的血液相容性。因此，他们分别采用2 步法【3 2 】和3 步法脚】，先在 聚氨酯表面引入含双键的丙烯酸( a a ) 或甲基丙烯酸羟乙酯( h e m a ) ，然后在 偶氮二异丁腈( a i b n ) 的引发下，通过共聚反应，将硫代甜菜碱接枝到聚氨酯 膜表面，改善其生物相容性。实验结果显示，改性后的p u 膜的润湿性提高，血 小板黏附和蛋白质吸附