【正文】 料表面與宿主 間界面上的相互作用 ,因此對植入材料的改性主要是對其表面的修飾。該法簡易可行。在對吸附質(zhì)量要求不高的領(lǐng)域 ,仍有其一定的應(yīng)用價值。 2 物理截 留法 ( entrapment) 溶脹是高聚物特有的現(xiàn)象。加入改性組分 (常溶解在非溶劑相中 ) ,其鏈段通過分子運動可進(jìn)入高聚物表面鏈段之間。改性組分分子鏈段與高聚物分子鏈相互纏結(jié) ,形成表面互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) ,從而達(dá)到固定的目的。 Zhu 等先將聚乳酸 (PLA) 膜浸泡在 溶解了海藻酸鈉和氨基酸衍生物接枝產(chǎn)物的水 / 丙酮 ( V (水 ) / V (丙酮 ) = 70/ 30) 溶液中 ,再轉(zhuǎn)移到 CaCl2 溶液中 ,在 PDLLA 表面形成不溶于水的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 3 表面化學(xué)接枝法 在聚合物表面接枝帶有對細(xì)胞的黏附和生長具有促進(jìn)作用的功能基團(tuán) ,是實施生物材料表面改性的另一途徑。它克服了物理吸附中生物活性分子不能長期 作用于材料表面、易脫落的缺點。 19 因此 ,通過表面改性使材料表面具有這些基團(tuán)是固定化的前提。表面化學(xué)接枝一般僅限于材料表面發(fā)生的非均相反應(yīng)。 生物材料的表面接枝通常分兩步進(jìn)行 :聚合物表面活化及活化基團(tuán)與蛋白質(zhì)的反應(yīng)。 ②將帶反應(yīng)性功能團(tuán)單體通過聚合反應(yīng)接枝到聚合物表面。要求材料表面及要偶合接枝上去的單體兩者都有可能發(fā)生偶合的官能團(tuán) ,否則要設(shè)法引入活性官能團(tuán)。 Cui 等采用氫氧化鈉溶液表面水解聚乳酸 (PLA) ,水溶性碳二亞胺 (EDC/ NHS) 活化表面羧基 ,共價鍵合殼聚糖 (CS) 分子 ,提高了材料表面的親和性 ,在其表面培養(yǎng)牛軟骨細(xì)胞 ,發(fā)現(xiàn)細(xì)胞活性和增殖率均比未改性 PLLA 顯著提高。不僅固定的生物信號分子具有活性 , 而 且其活性比游離的生物信號分子更高 , 如固定的胰島素的促有絲分裂作用比天然的胰島素更強(qiáng)。 4 高能輻射法 高分子材料表面輻射改性的放射線源有γ射線 (60Co) 、β射線 (85 Kr) 、α射線 (210 Po) 及 X 射線和電子射線等。輻射接枝是由射線引發(fā) ,不需要向體系添加引發(fā)劑 ,與化學(xué)接枝相比 ,可得到非常純 的接枝聚合物 ,是改性醫(yī)用高分子的有效方法。 高能輻照會改變材料表面微觀結(jié)構(gòu) ,導(dǎo)致拓?fù)湫蚊?、濕潤性和生物相容性的變化? 20 5 光化學(xué)法 光 化學(xué)法利用紫外線或可見光照射產(chǎn)生一系列光化學(xué)反應(yīng)而固定生物分子 ,其中紫外線輻照是研究的熱點。紫外光接枝是適合表面改性的有效方法 ,它具有以下優(yōu)點 : (1) 紫外光比高能輻射對材料的穿透力差 ,故接技聚合可嚴(yán)格地限定在材料的表面或亞表面進(jìn)行 ,改性反應(yīng)僅發(fā)生在表面 50～ 100nm 深度內(nèi) ,不會損壞材料的本體性能 。 使用光 敏劑進(jìn)行表面活化 ,則更容易在聚合物表面引發(fā)接枝聚合反應(yīng) ,將特定的官能團(tuán)引入到聚合物表面 ,以改變聚合物的表面性質(zhì)。光化學(xué)固定法由以下三個步驟組成 : ①將光反應(yīng)劑被覆在材料表面 。 ③由溶劑除去未反應(yīng)的光反應(yīng)劑。 Zhu 等采用紫外光氧化接枝的方法將親水性聚甲基丙烯酸 (PMAA) 接枝到聚己內(nèi)酯 (PCL) 表面 ,用水溶性碳二亞胺 (EDC) 作為偶聯(lián)劑在接枝膜表面固定了明膠 ,經(jīng)過改性后的 PCL 膜表面的親水性顯著提高 ,內(nèi)皮細(xì)胞在改性 PCL 膜表面上培養(yǎng) 96h 后的細(xì)胞增殖率和活性均有明顯提高。如等離子體聚合能在基材表面引入磷酸基、羥基等功能團(tuán) , 改善材料與生體環(huán)境的相互作用。 (2) 聚合物分子鏈上激發(fā)產(chǎn)生自由基 。(4) 由分子鏈間交聯(lián)、自由基間的偶合、歧化反應(yīng)等方式終止反應(yīng)。 (2) 不需向反應(yīng)體系提供能量用于激發(fā)產(chǎn)生自由基。低溫等離子體是以低氣壓放電產(chǎn)生的電離氣體 ,其中含有豐富的活性粒子 ,可引發(fā)多種化學(xué)反應(yīng) ,其反應(yīng)溫度低 ,適于改性熱敏性高分子材料。但是 ,等離子體改性也有其缺點 :如等離子體可能在生物材料表面濺射、刻蝕使材料表面形貌發(fā)生變化 。此外 ,等離子體改性的表面隨時間延長具有退化效應(yīng)。結(jié)果表明 ,固定有 RGD 的材料可以有效的促進(jìn)成骨細(xì)胞的黏附和分化。 Ding等先用氬 (Ar) 等離子處理聚乳酸 (PLLA) 膜 ,然后暴露在空氣中使之表面形成過氧化物和氫過氧化物 ,然后滴加殼聚糖醋酸溶液 ,共價固定殼聚糖分子。 7 離子注入技術(shù) 離子注入是將帶電離子高能射入到固體表面 ,與固體內(nèi)原子核及核外電子云發(fā)生相互作用 ,同時在以離子經(jīng)過的軌跡外層一定半徑范 圍內(nèi)使得固體中原有分子和原子發(fā)生激發(fā)、電離等復(fù)雜行為 ,引起表面化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的變化。 (2) 注入的離子滲入材料表層 ,與基體原子相混合 ,不會發(fā)生脫落現(xiàn)象。 Chen 等使用40keV 碳正離子注入對聚羥基鏈烷酸酯膜改性 ,親水性得到改善 ,培養(yǎng)成纖維細(xì)胞 ,發(fā)現(xiàn)基體膜的細(xì)胞相容性明顯提高 ,細(xì)胞 黏附形態(tài)的變化估計和表面改性時發(fā)生的物理化學(xué)過程有關(guān)。例如 ,主鏈飽和的聚烯烴材料 ,如 PE、 PP,主鏈較穩(wěn)定 ,通過表面氧化可在其表面引入功能基團(tuán) 。而對含有易被水解的酯基的聚合物如PMMA、 PET、 PLA,可以在堿溶液中部分水解使其表面產(chǎn)生羧基。 1 在生物材料表面固定多肽進(jìn)行表面 仿生化 修飾 在設(shè)計組織工程人工 ECM 時模仿天然 ECM 是一有效的設(shè)想。 22 多肽固定在材料表面通 過兩種方式 : 共價鍵和非共價作用。引入 RGD 序列的方法常可分為兩類 : ①通過本體聚合在聚合物主鏈或側(cè)鏈引入功能基團(tuán) ,形成含RGD肽鏈的雜化聚合物外 【 72－ 73】 ；②在聚合物表面修飾固定 RGD。表面修飾法可分為物理方法和化學(xué)方法兩大類。如采用膠原、海藻酸、聚賴氨酸 (PLL) 等與氨基酸序列具有良好相容 性的材料包覆 RGD ,通過負(fù)壓吸附在合成高分子材料如 PLGA類多孔支架表面?；瘜W(xué)方法是在聚合物表面通過改變其化學(xué)結(jié)構(gòu) ,如通過聚合物表面水解、等離子沉降、紫外輻照、自組裝、模板技術(shù)等在聚合物表面引入能夠與生物活性物質(zhì)鍵合的功能基團(tuán)如 OH , COOH ,NH2 等 ,從而鍵合 RGD。 各種不同的技術(shù)已經(jīng)被用來將多肽共價固定在材料表面 , 如 : 將多肽 GRGDY 共價固定在聚 (乳酸 － 共 － 賴氨酸 ) 表面 , 可以促進(jìn)牛動脈內(nèi)皮細(xì) 胞擴(kuò)展。 所以將多肽 － 白蛋白復(fù)合物吸附在材料表面 , 對材料進(jìn)行表面改性。羥基磷灰石是一種植入材料 , 它本身不支持細(xì)胞附著 , 但羥基磷灰石的鈣可以與 Asp 或 Glu的羥基結(jié)合。 多肽需通過適當(dāng)?shù)慕宦?lián)劑才能固定在生物材料表面。通過固相化學(xué)法合成保護(hù)性 GRGDS 肽 , 以 1乙烯 3(3二胺丙基 )碳化二亞胺 (EDC)和 1eqN羥琥珀酰亞胺 (NHS) 作為偶聯(lián)劑 , 聚賴氨酸 (PLL)與保護(hù)性 GRGDS 肽結(jié)合。PLLGRGDS可結(jié)合到 PLA 表面 【 75】 。所以 , 以SulfoLCSPDP 為偶聯(lián)劑可以將 GRGDSPC 肽固定在膠原表面。 研究發(fā)現(xiàn)， RGD組裝成的納米尺度的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)比無 規(guī)肽結(jié)構(gòu)更能有效地誘導(dǎo)細(xì)胞的黏附和移動 ,所以修飾材料表面的 RGD 密度也要適宜。在相同的表面配體濃度時 , 簇狀固定的YGRGD肽更能提高 NR6成纖維細(xì)胞的移動速率 。 將肽固定在材料表面可由于空間 阻礙而降低肽的活性。 研究表明 ,含肝素結(jié)合域的 ECM蛋白質(zhì) ,如成纖蛋白 ,作為輔助因子與 RGD序列共同促進(jìn)細(xì)胞的粘連和擴(kuò)展。 在硬組織工程 研究中 ,磷酸鈣表面修飾的生物陶瓷和可植入金屬以其良好的生物相容性和骨整合性能 ,越來越多地應(yīng)用于牙和骨修復(fù)。更令人關(guān)注的是 ,通過模擬體液環(huán)境 , 實現(xiàn)了 Ca/P比例的調(diào)節(jié)。結(jié)果表明 ,修飾膜明顯改進(jìn)了聚乳酸的細(xì)胞親和性 ,促進(jìn)了成骨細(xì)胞的黏附、增殖及堿性磷酸酶活性的表達(dá)。中山大學(xué)高分子研究所全大萍教授及華中科技大學(xué)鄭啟新教授等 【 81－ 83】 通過 Asp與聚乙二醇 ( PEG) 的聚合物大分子引發(fā)乙丙交酯共聚 ,設(shè)計合成了側(cè)鏈含氨基的聚 [乙 /酸酯 (天冬氨酸 alt聚乙二醇 )x乙 /酸酯 ]嵌段共聚物。結(jié)果顯示 , 通過調(diào)整 PEG鏈段的長度 ,可以控制調(diào)整聚合物中氨基密度和分布 ,為調(diào)整多肽的密度和分布創(chuàng)造了條件。鄭啟新教授等進(jìn)一步設(shè)計了系列含 RGD 多肽，均成功地固定在此三嵌段材料表面；同時通過篩選發(fā)現(xiàn)， GRGDSPC 多肽對骨髓基質(zhì)干細(xì)胞的黏附能力最強(qiáng)，具有相對特異性。 24 采用蘋果酸和乙醇酸制成的交酯 BMD均聚或共聚，可以在聚合物側(cè)鏈引入功能基團(tuán)，形成含 RGD肽鏈的雜化聚合物。 BMD的反應(yīng)活性與 LA、 GA 比較接近 ,由于自身均聚分子量不高 ,一般是將 BMD 與 LA 或 GA 共聚 ,合成主鏈含乙醇酸－蘋 果酸兩元或乙醇酸－蘋果酸－乳酸三元共聚物 ,這種共聚物結(jié)構(gòu)和性能可以很方便地通過調(diào)節(jié)各組成的比例進(jìn)行控制 ,在藥物緩釋和組織工程中更有應(yīng)用價值。共聚物在 Pd/C 作用下脫去保護(hù) ,溶液澆鑄成膜 ,或先成膜 ,在堿性條件下水解脫去保護(hù)基團(tuán) ,使其表面為羧基 ,可以通過偶聯(lián)劑二環(huán)己基碳二亞胺 (DCC) 將小肽序列精氨酸 甘氨酸 天冬氨酸 絲氨酸 (RGDS) 接枝到 COOH 上。 在聚合物主鏈末端引入功能基團(tuán)固定 RGD 也是制備聚合物 含 RGD 肽鏈的雜化分子的一條途徑。可以利用聚合物中氨基 、雙羥基鍵合蛋白和多肽 (RGD , 生長因子 ) ,這種具有反應(yīng)活性的聚合物既可用作多孔的組織工程支架 ,也可用作藥物緩釋材料。鄧先模等使用末端為氨基的聚乙二醇單甲醚 己內(nèi)酯(MPEGPCL)為大分子引發(fā)劑引發(fā)帶有芐氧基保護(hù)基團(tuán)的天冬氨酸酐 ,最終合成端基為氨基和甲氧基的聚乙二醇 聚己內(nèi)酯 天冬氨酸共聚物 (MPEGPCLPBLA) 。 水凝膠體系由于具有高親水性 ,與軟組織的類似性 ,能為細(xì)胞和生物活性因子提供溫和的生存環(huán)境 ,在負(fù)載 RGD等生物因子方面具有更潛在的應(yīng)用價值。組織工程研究中常采用的是由聚乙烯醇 (PVA) 和 PEG制備的水凝膠 ,如 Burdick 等將 PEG4600一端丙烯酰化 , 一端由 N羥基琥珀酰亞胺活化后鍵合 RGD肽 ,光引發(fā)聚合形成水凝膠 ,發(fā)現(xiàn)可以提高小鼠成骨細(xì)胞在聚合物表面的黏附 ,擴(kuò)散 ,而且 RGD密度越大 ,細(xì)胞擴(kuò)散程度越大 ,顯示了這種材料在體內(nèi)注射成型方面有巨大潛力。 Mikos等采用聚 (反丁烯二酸丙二醇 co乙二醇 ) 共聚合 ,丙烯?；垡叶己捅；?25 乙二醇 生物素 (或多肽 ) 在過硫酸銨存在下交聯(lián)制得了偶聯(lián)有 生物素 (或多肽 ) 的水凝膠 ,并證實可通過控制 PEG鏈段的長度、 PEG在聚合物中的比例和 PPFPEG的分子量 ,控制生物素 (或多肽 ) 在凝膠表面的含量?；啄さ谋砻婊瘜W(xué)特征、機(jī)械伸展性對細(xì)胞和組織的行為、功能有很大影響。早在 20世紀(jì) 40年代 , 就有學(xué)者提出“接觸引導(dǎo)”(contact guidance) 的概念 , 70 年代開始研究納米結(jié)構(gòu)特征對細(xì)胞行為的影響。 孔的平均直徑為 72nm , 約占基底膜總面積的 15%。 Shirato等 【 88】 在鼠腎小球基底膜上觀察到網(wǎng)篩 (meshwork) 結(jié)構(gòu) , 內(nèi)層由 5～ 9nm 厚的原纖維和 11～ 30nm寬的孔組成。 從材料學(xué)的角度講 ,材料結(jié)構(gòu)決定材料性能 ,所以表面微觀結(jié)構(gòu)對表面性能有重大影響。 不同的粗糙程度及不同的表層微觀形貌結(jié)構(gòu)如凹槽型 、 山脊型 、 孔洞型等對細(xì)胞的粘附 、 定向生長 、 遷移都有直接不同的影響 。m范圍以內(nèi) )， 而且在該表面生長更快 ， 表現(xiàn)出更密集的細(xì)胞生長現(xiàn)象 ， 說明微粗糙表面能增強(qiáng)細(xì)胞的粘附 。 但相對而言 ， 凹槽深度對細(xì)胞的定向生長的影響要大于凹槽寬度的影響 ； 通常隨著凹槽深度加深 ， 它對細(xì)胞的定向生長的影響也變大 ， 但隨著凹槽寬度加寬 ， 其對細(xì)胞的定向生長的影響卻變小 。 例如 , 在覆鈦植入物上 , 上皮細(xì)胞會明顯地沿著 10181。m 的溝槽。 Chung 等先將聚乙 二醇 (PEG) 接枝到聚氨酯 (PU) 表面 ,生成接枝產(chǎn)物 PU－PEG,再將 N－ 琥珀酰亞胺 / 6－ (4－ 疊氮 － 2－ 硝基苯胺 ) / 己酸酯 (SANPAH) 和多肽 Gly－ Arg－ Gly－ Asp (GRGD) 分別溶于乙醇和蒸餾水中 ,室溫暗室共混反應(yīng) 2h ,生成苯基疊氮衍生多肽 ,最后通過紫外光照射將其固定在 PU－ PEG表面 ,在納米尺度上提高了表面粗糙度 ,MTT 檢測表明體外培養(yǎng)的人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞生長速率有所提高。很多文獻(xiàn)報道了材料表面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對細(xì)胞的鋪展、取向及遷移的影響。為了研究大量存在的單個細(xì)胞的個體行為 , Singhvi 等設(shè)計了在金表面構(gòu)建由十六烷基硫醇自組裝而成的具有蛋白吸附能力的微米級“小島”的方便的柔性方法。鼠肝細(xì)胞培養(yǎng)結(jié)果表明 , 在面積為 10000181。 而在面積為 1600181。 生物材料表面的微結(jié)構(gòu)域可以調(diào)控細(xì)胞與基質(zhì)的信號傳導(dǎo) ,從而影響細(xì)胞黏附結(jié)構(gòu)域的形成和細(xì)胞骨架的發(fā)育 ,最終形成具有高度取向的細(xì)胞圖案。 Matsuzaka 等將鼠骨髓細(xì)胞種植在具有細(xì)微紋溝的聚乳酸表面 ,培養(yǎng) 8d 后 ,發(fā)現(xiàn)細(xì)胞呈扁平狀 ,與表面紋溝平行排列分布 。表面微紋結(jié)構(gòu)基體上的細(xì)胞堿 性磷酸酶 (ALP) 活性明顯高于表面光滑基體上的細(xì)胞 ,這表明表面微紋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對細(xì)胞生長有一定促進(jìn)作用 [7 ] 。 與光滑表面相比 ， 多孔結(jié)構(gòu)能顯著增加成纖細(xì)胞 、 軟骨細(xì)胞的生長速率 。m）細(xì)胞在其表面的生長速率要比孔徑大時 （ 如 101