生物材料表面仿细胞膜结构的调控组装及交联稳定化改性.doc

生物材料表面仿细胞膜结构的调控组装及交联稳定化改性宫铭，马佳妮，杨 珊，张世平，宫永宽*西北大学化学系、材料科学新技术研究所，西安，710069摘要：磷酰胆碱是生物细胞外层膜的主要成分，用含磷酰胆碱基团的亲水亲油两亲性共聚物涂覆修饰是生物医用材料改性的一种简单而有效的方法，可获得优良的生物相容性。本文设计合成了含磷酰胆碱基团的可交联两亲性共聚物。将其溶于有机溶剂涂覆修饰玻璃片基。涂层表面的自组装结构在水中被调整为仿细胞外层膜结构，通过共聚物中的三甲氧基硅基团的水解交联作用，将涂层表面的仿细胞外层膜结构交联固定，获得稳定的仿细胞外层膜结构的修饰涂层。X射线光电子能谱、动态接触角及体外细胞培养等实验结果表明，含磷酰胆碱基团的可交联两亲性聚合物涂层表面仿细胞膜结构的调控组装及交联稳定化改性方法，可从根本上消除物理吸附涂层不稳定及生物相容性衰退难题；具有广阔的应用前景。关键词：磷酰胆碱 两亲聚合物 细胞膜 表面修饰 生物相容性磷酰胆碱是组成细胞膜基本单元(如卵磷脂等)的亲水端基(头部)，是细胞外层膜中的最外层（对外）基团（图.1）。近年来的研究表明，用含磷酰胆碱基团的亲水-亲油的两亲性聚合物涂覆修饰生物医用材料，可在材料表面形成类似于细胞膜结构的自组装层。修饰后的材料则会被细胞认为是自体,可获得优良的生物相容性1。然而，以物理吸附结合的两亲性聚合物分子，在体内复杂环境中有可能发生溶解、降解等作用而流失；另一方面，涂层表面的微观聚集结构随自组装过程的条件及组装后的环境因素而发生变化，也会影响此类材料表面性能及相关产品的开发和应用。本项目设计并合成一系列含磷酰胆碱基团和可交联官能团的两亲性聚合物，系统研究含磷酰胆碱基团的两亲性聚合物的表面组装及仿细胞膜结构的调控与生物相容性的关系，探索用交联等途径将涂层仿细胞膜结构表面进行固定或稳定化的方法。Fig.1. Structures of cell membrane and phosphorylcholine compounds.(a) lipid bilayer of cell membrane; (b) phosphatidylcholine; (c) MPC.1 实验部分1.1 材料及试剂2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱（MPC）用文献方法合成2；甲基丙烯酸十八烷基酯（SMA）、-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷（TSMA）及偶氮二异丁腈（AIBN）为分析纯试剂。有机溶剂乙醚、乙醇、异丙醇、氯仿、四氢呋喃分别进行无水干燥处理。含磷酰胆碱基团的可交联两亲性聚合物由MPC、SMA和TSMA在异丙醇中由AIBN引发随机共聚合成3。经乙醚沉淀、乙醇淋洗后溶于乙醇-氯仿混合溶剂中涂于载玻片、聚丙烯片基上，真空干燥后备用。载玻片（24mm24mm0.2mm）用3NaOH，乙醇及高纯水处理清洗。1.2 表面分析测试4 表面憎水-亲水性能的变化用动态接触角测定仪(DCAT 21, Dataphysics Instruments GmbH)测定试样在水中的前进角和后退角来衡量。表面化学键的变化用Bio-Rad FTS-3000型衰减全反射傅立叶变换红外光谱（ATR-FTIR）来判断。表面及不同厚度处元素组成用ESCALAB 3MkII（V. G. Scientific Co., UK）X射线光电子能谱仪测定。结合能校正以C1S（285.0 eV）为基准。2 结果与讨论2.1 含磷酰胆碱基团的可交联两亲性聚合物的合成合成反应如图2所示。由1H NMR谱图中N(CH3)3、-Si(OCH3)3 和十八烷基中质子峰的相对面积计算出共聚物中各组分的比例为MPC:SMA:TSMA = 4:3:1，与投料比大致相等。SMA含有十八烷基使其反应速度较慢，易导致共聚物中的含量低于其投料比。另外，三甲氧基硅基团在聚合、分离、提纯及测试过程中均可能吸水而部分水解，引起测得的TSMA含量低于实际值。Fig. 2. Synthesis scheme of a crosslinkable PC copolymer PMST2.2涂层表面仿细胞外层膜结构调控及交联两亲性聚合物在溶液中及涂层表面的结构可用图3(a)和(b)来描述。显然，涂层表面的结构与细胞膜外层结构相反。当表面与水作用时，诱导基团取向可使表面调整为仿细胞膜外层结构(c)。在三甲氧基硅基团水解交联作用下，形成的仿细胞膜外层结构被固定化(d)，干燥后能保持细胞膜外层结构(e)。涂层在不同条件下的结构调控及交联固定化作用非常明显地体现在动态接触角数据上（图4）。涂层在20水中作用缓慢，有充足时间调整基团取向。同时因溶胀小，交联度可达到最大值，使表面的调控结构被大量的交联键固定。图4(c)中显著降低的前进角显示，亲水的磷酰胆碱基团被固定在表面。ATR-FT-IR证实有大量的Si-O-Si键生产。在三乙胺催化下，快速交联作用使表面基团的取向不完全，图4(c)倒退角的明显升高就是有力证据。在热水中，可能由于膨胀和溶胀增大了可交联基团间的距离，交联反应不易发生。Fig. 3. Schematic structures of amphiphilic PC polymer (a) in solution; (b) on its surface; (c) on its solid-water interface; (d) crosslinked in water and (e) crosslinked surface.3. 结论含磷酰胆碱的可交联两亲聚合物涂层表面的自组装结构可被调整为仿细胞外层膜结构，并且可用交联方法将其固定，获得稳定的仿细胞膜修饰涂层。致谢:课题组感谢陕西省教育厅专项科研基金（04JK146）、中科院北京化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室开放基金（200605）、陕西省分离科学重点实验室开放基金的资助。参考文献：1 (a) K. Ishihara, Sci. Technol. Adv. Mater., 2000, 1, 131; (b) J.A. Hayward, D. Chapman, Biomaterials, 1984, 5, 135. (c) A. L. Lewis, L. A. Tolhurst, P. W. Stratford, Biomaterials, 2002, 23, 1697.2 K. Ishihara, T. Ueda, N. Nakabayashi, Polym. J. 1990, 22, 355.3 (a) A. L. Lewis, Z. L. Cumming, H. H. Goreish, L. C. Kirkwood, L. A. Tolhurst, P. W. Stratford， Biomaterials 2001, 22, 99; (b) J.-P. Xu, J. Ji, W.-D. Chen, D.-Z. Fan, Y.-F. Sun, J.-C. Shen， European Polymer Journal 2004, 40, 291.4 (a) 宫永宽，F. M. Winnik, 化学学报, 2005, 63, 643; (b) Yong-Kuan Gong, Fackson Mwale， Michael R. Wertheimer， Francoise M. Winnik， J. Biomater. Sci. Polymer Edition, 2004, 15 (11), 1423; (c) Yong-Kuan Gong, Li Luo, Alain Petit, David J. Zukor, Olga L. Huk, John Antoniou, Francoise M. Winnik, Fackson Mwale, J. Biomed. Mater. Res. Part A, 2005, 72A (1), 1.; (d) Y.-K. Gong, F. Nakanishi, K. Abe, Mol. Cryst. Liq. Cryst. A 1999, 327, 123.Fig. 4. Dynamic contact angle loops at 298.2K. (a) Glass surfaces; (b) Coated and crosslinked at 80; (c) Coated and crosslinked with TEA at 20 and (d) Coated and crosslinked at 20 Surface Modification of Biomaterials by Mimicking the Structure of Cell Membrane with Crosslinkable Amphiphilic Phospholipid PolymerMing Gong, Jiani Ma, Shan Yang, Shiping Zhang, Yongkuan Gong*Department of Chemistry, Institute of Materials Science & New Technology, Northwest University, Xian 710069, P. R. China. Email: Abstract：Phosphorylcholine is a dominant group of the out-layer in a cellular membrane. Amphiphilic polymer bearing phosphorylcholine functionality can form a surface with similar structure to cellular membrane and shows good biocompatibility. However, the surface structure may change irreversibly due to reorientation and migration of surface groups under some conditions. Also, the molecules of the coating layer can be detached when placed inside the complicated body condition. A crosslinkable amphiphilic phospholipid copolymer of 2-methacryloyloxyethylphosphorylcholine (MPC), stearyl methacrylate (SMA) and 3-(Methacryloyloxy)propyltrimethoxysilane is synthesised and the surface structure of the coating is adjusted to mimick outer membrane. This adjusted structure of the polymer is then crosslinked to improve the long term stability of cell membrane mimi