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PEG在生物材料表面改性方面的应用及研究进展

2021-11-25 来源:汇智旅游网
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China P E G在生物材料表面改性方面 的应用及研究进展 ◆常鹏杨隽 (武汉工程大学材料科学与工程学院 武汉摘430073) 要:材料的生物相容性限制了生物材料的应用,生物材料的表面改性可以有效地解决这一问题。聚乙二醇 广泛地应用在生物材料的表面改性上,这主要由于它具有独特的性质,比如亲水性、弹性、无毒性、无免疫原性等。 文章对PEG在生物材料表面改性方面的应用及改性方法进行了概述。 关键词:聚乙二醇;生物材料;表面改性;蛋白质吸附 The Application of PEG in Surface Modification of Biomaterial and Study Progress Chang Peng.Yang Jun (School of Materials Science and Engineering,WuHan Institute of Chemical Technology,Wuhan 430073) Abstrct:the biocompatibility of material confine the using of biomaterial,su rface modification can effectively resolve this problem.poly(ethylene glyco1)has been used most widely for surface modification because of its unique properties such as hydrophilicity.flexibility.high exclusion volume in water.nontoxicity.and nonimmunogenecity.in this paper,we summarize the using of PEG in surface modification of biomaterial and the method of surface modification. Key words:poly(ethylene glyco1);biomaterial;surface modification;the adoption of protein 1概述 一玻璃上,研究表明【引,接枝后玻璃的蛋白质吸附力大幅度降 生物医用材料与血液直接接触时,血液和材料之间产生 系列生物反应。这些反应表现为,材料表面出现血浆蛋白 低 当PEG链的重复单元为1OO时,链的移动时间为1O一 10s,接近PEG链自由移动的时问;对于较短的PEG链,移 被吸附,血小板粘附、聚集、变形,凝血系统、纤溶系统被 激活,最终形成血栓。因此,要求制造人工心脏、人工血管、 动时间为10.8s一10 9s,表明移动受到阻碍。n为100的 甲氧基聚乙二醇与甲基丙烯酸甲酯的梳型共聚物P(M MA— PEG)(n为PEG的聚合度)较PEG链长n为5时的共聚物对蛋 白质的吸附量下降2/3,血小板的粘附量下降2个数量级。 人工心血管的辅助装置及各种进入或留置血管内与血液直接 接触的导管、功能性支架等医用装置的生物医用材料,必须 具备优良的血液相容性。研究表明,改变材料表面的性能或 结构有助于提高材料的血液相容性。常见材料表面肝索化有 PEG的悬挂长链结构还被有效地用于接枝肝素。肝索 是人体血管内皮上的粘多糖,其阴离子活性基团可与血液 明显的抗凝血和抗血栓性能…。 有报道指出,材料表面具有一端悬挂的长键结构是其 具有良好血液相容性的一个条件【2】,例如血管内壁的糖 蛋白以及白蛋白涂层均有这种长链结构,这种结构可以 中肋抗凝血酶AT.Ⅲ的阳离子基团结合,而AT一Ⅲ与血液中 的凝血酶形成无活性的复合体后可随血液而去,继而肝素又 可捕捉和复合新的凝血酶,因而肝素能持续保持,使血液中 的凝血酶失去活性而起到抗凝作用。将肝素接枝到人工材料 维持血液中血浆蛋白的正常构象。聚乙二醇(PEG)是具有 .表面,只有当肝素的一端与材料保持牢固的化学链结合而不 脱落且另一端保持活性及可移动的性质时,接枝肝素才能发 (CH。CH。O)一重复单元的大分子链,末端基团可以是羟基, 也可能是甲氧基团。PEG具有良好的血液相容性,是因为其 水合的悬挂长链影响血迹与材料界面微观的动力学环境,使 血浆蛋白与材料问的相互作用降低,阻碍血浆蛋白的吸附及 构象变化。PEG链长与其可动性、血液相容性关系密切。 Park等人通过对甲氧基聚乙二醇的硅烷改性,然后接枝到 化工文摘2007年1期 挥作用。利用PEG的漂动性,在PEG链端接枝肝素可以很 好满足上述条件。高分子材料表面肝素化是十多年来抗凝血 材料研究的一个热点I4J。 聚乙二醇是极好的亲水性聚合物,它可使器械表面在湿 态下摩擦系数很低,而干态下与一般物质无异 该聚合物加 47 维普资讯 http://www.cqvip.com

micals 工成的涂层已被医疗界所接受。美国联合碳化公司、美国海 军海底中心研究表明:分子量从十万到一千万的聚乙二醇口 层不稳定。 2.2接枝聚合 服毒性极低,不宜被胃肠系统吸收。此外,在材料表面固化 Tseng[1o一12]等人应用PEG和FNPA反应合成APN—PEG, PEG,因它的亲水性能、链段灵活性、缺乏离子电荷,可提 高抗蛋白吸附的性能。PEG在材料表面有多种固化方法,如 然后采用紫外光照射将APN PEG接枝到玻璃上,实验表 明,APC.PEG在吸附溶液中的浓度达到1—10mg/mL时, 玻璃表面对血小板的吸附性为0 这说明接枝PEG可以抑制 血小板的活性。 Norrma n【_。】等人将硅烷化的PEG接枝到玻璃上,并采 共价键接枝,嵌段共聚PEG于基材中,在表面直接吸附作 为润滑剂 聚乙二醇可溶于有机溶剂,如二甲基甲酰胺、四 氢呋喃等,由于溶液粘度易于调整,因此可用浸渍法或喷涂 法涂复医疗器械表面 若器械基质材料是乳胶、聚氨酯或非 用飞行时间次级离子质谱分析法来分析其接枝过程。 亲水性聚丙烯酸等物质,则用酸处理,可提高涂层和基质材 Papra[1 4—1 5]等人将硅烷化的PEG接枝到聚二甲基硅和 料的粘合性。新近研究出一种技术(溶解法)可将PEG或其他 Si/SiO,上,将硫醇化的PEG接枝到金属金上,通过分析发 吸水性聚合物引入生物材料表面。由于该技术在应用时只受 现,接枝后的各种材料的表面具有相同的性质,表面都有抗 基体(BP)在吸水性聚合物(WSP)溶剂中溶解性的影响,因此 吸附性 这种方法虽然获得了比较稳定的薄膜材料,但是过 可得到广泛应用。 程比较复杂。 据研究报道,PEG可以进行表面涂层,形成保护性的 2.3影印 生物相容性的涂层。这些应用包括动脉替换、诊断设备和血 Hanein【16l等人采用影印的方法在硅的表面制造一层 液接触设备的PEG涂层。在区带毛细管电泳中,用PEG对 PEG薄膜,实验发现,改性后的材料的表面没有吸附性,并 毛细管涂层,可控制蛋白质的吸附并提供一种控制电渗的关 且在许多材料的表面都可以获得这种效果,比如说氧化物、 键技术。 氮化物、金以及白金等 应用这种方法做的电极和传感器对 另据报道,聚乙二醇可根据使用目的改性。含不饱和端 蛋白质和细胞都有抗吸附性。 基的聚乙二醇可瞬间杀菌,并能满足医用力学性能要求。用 2.4共价耦合法 这种聚合物制得的涂层在水中是润滑的,但其它条件下吸水 Zhang[1 ̄一18]等人采用共价耦合法在硅的表面形成稳定的 能力很差 另外,聚乙二醇和氧化丙烯的嵌段共聚物涂层可 单层或多层PEG薄膜,这种方法采用分子级水平来控制材 改善移动性能,减少组织粘合。目前,PEG材料已商品化, 料表面质量,并且能够很好地改善材料的生物相容性。 被人们广泛使用。 Seongbong[1 01等人先用Y一异氰酸酯丙基三乙氧基硅 2 PEG改性生物材料表面的方法 烷(IPTS)以及六亚甲基二异氰酸酯和Y一巯丙基三乙氧基 PEG是一种无毒、无免疫原性的聚合物,由于它的亲水 硅烷来改性M—PEG,然后用改性的M—PEG来接枝玻璃(如 基团,它能够减少材料表面和蛋白质之间的吸附力,常用的 图1),实验发现,接枝后玻璃的纤维蛋白原的吸附性降低了 PEG改性生物材料表面的方法有以下几种:物理吸附、接枝 95% 硅烷化PEG为PEG的接枝提供了一种简单的方法。 聚合、影印、化学耦合、等离子体处理。 2.1物理吸附 物理吸附是被吸附的流体分子与固体表面分子间的作 用力为分子间吸引力,即所谓的范德华力(Van der waals)。因 此,物理吸附又称范德华吸附,它是一种可逆过程。当固体 表面分子与气体或液体分子间的引力大于气体或液体内部分 ・_- :Hydrophoble spacer :Hydrophi1ic poly(ethylene glyco1)chain 子间的引力时,气体或液体的分子就被吸附在固体表面上。 Maechling。Strasser CI 5]等人在玻璃或硅的表面涂一层 图1硅烷化的聚乙二醇接枝玻璃 亲水性的ABA型的共聚物(其中A是PAEI,B是PEG)高 Gadegaardf ̄ 23】等人采用一步法在硅上形成一层厚度为 分子薄膜,从而来获得无吸附性的表面。实验发现,使用共 1 0—1 7A的单层PEG薄膜,材料改性后的接触角减少到 聚物的效果比许多亲水性的均聚物都要好,并且处理过后的 36~39度。 材料表面的纤维蛋白原的吸附性比未处理过的材料表面的吸 Sharma[24-25]等人采用这种方法在硅的表面形成一种超 附性减少了5%。从而到达增加材料血液相容性的目的 薄的、均匀的、稳定的具有良好生物相容性的PEG薄膜。实 GingeI1等同人在玻璃上镀一层由聚丁二醇和聚乙二醇组 验发现,PEG改性后的材料表面具有抗蛋白质吸附的能力 合成的ABA型的共聚物(其中A是聚乙二醇,B是聚丁二 通过对PEG薄膜稳定性的检测发现,在干性的环境中,超 醇),并采用全内置式反射荧光显微镜来分析其吸附动力学, 薄的PEG薄膜非常的稳定,在水性的环境中,其稳定性有 实验发现,处理过后的玻璃表面的吸附性也由所降低。 所降低,但是其抗蛋白质吸附的能力没有改变。 Amiji[ 胡】等人以及Gingell[ ̄1等人在这方面也做了大量的 Zhu[261等人在Si(1 1 1)的表面形成一种高密度的单层 工作,这种方法的优点是过程比较简单,缺点是形成的薄膜 PEG薄膜,形成的薄膜非常平整,研究了不同分子量对薄膜 48 T-tr摘≯nn7年1朔 维普资讯 http://www.cqvip.com

性质的影响,实验发现,不管是低分子量的PEG薄膜,还 1995,(23):1384—1393 6 Gingel lD,Owens N,Hodge P,et a1.Adsorption of a 是高分子量的PEG薄膜,它们都具有良好的抗蛋白质吸附 的能力。 novel fluorescent derivative of a poly(ethylene oxide)/ poly(butylene oxide)block copolymer on octadecyl glass studied by totaI internal reflection fluorescence Sheenym7]等人将硅烷化的M—PEG接枝到硅上或以硅为 底材的金片上,实验结果表明,改性后的硅和金的表面具有 很强的抗蛋白质和细胞吸附性。这项研究为提高以硅为底材 and interferometry[J1.JournaI of BiomedicaI Materials 的生物材料的生物相容性提供了~种方法。 2.5等离子体处理 Research,1994。28(4):505~513 7 Amiji,M.,Park,K.,Prevention of protein adsorption and platelet adhesion on surfaces bv PEO/PPO/PEO triblock 等离子体技术尤其是低温等离子体技术以自身独特的优 越性在表面改性领域迅速发展,近年来开始应用在改善生物 材料生物相容性的领域。 陈亚芍【2日】等采用等离子体表而改性技术将PEG在医用 copolymers[J].Biomaterials,1 992,1 3(1 0):682~692 8 Amiji,M.,Park,K.,Surface modification of polymeric biomaterials with poly(ethylene oxide):albumin and he— parin for reduced thrombogenicity[J].J.Colloid Inter. Sci,1993,155(1):251~255 9 Gingell,D.Owens,N.Inhibition of platelet spreading from plasma onto glass by an adsorbed layer of a novel 聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)表面固定化,采用复钙时间、凝 血酶原时间、部分凝血活酶时间、凝血酶时间和血小板粘附 实验对材料的抗凝血性能进行评价。实验结果表明,被修饰 PE膜的抗凝血性能显著提高。 杨隽、汪建华等利用微波电子回旋共振产生的低温等离 子体在镍钛合金表而沉积类PE薄膜,对沉积的涂层进行X 射线光电子能谱(XPS)和衰减全反射傅立叶变换红外光谱 fluorescent—labeled poly(ethylene oxjde)/po Jy(buty Jene oxide)block copolymer:C:haracteristics of the exclu— sion zone probed by means of polystyrene beads and 表面结构的分析表征,并对改性后的镍钛合金进行了血浆蛋 白质吸附实验。实验表明,利用等离子体处理可以在镍钛合 金表面获得致密、均匀的涂层,镍钛合金表面的血浆蛋白吸 附实验结构显示,与改性前相比,经等离子体改性后镍钛表 面吸附的蛋白质含量大大减少。因此等离子体沉积的类 macromolecules[J1.Jou rnaI of Biomedical Materials Research,1994,28(4):4g1~503 1 0 Tseng,Y.C.,Park,K.,Synthesis of photoreactive poly (ethyleneglyco1)and its application[J].J.Biomed.Mater. Res.1992.26:373~391 1 1 Tseng,Yin—Chao,McPherson,et a1.G rafting of ethylene glycol・・butadiene block copolyme rs onto dimethyl’ PEG薄膜可以有效提高材料的生物相容性。 3展望 除了设计、研制性能优异的新材料外,通过对传统材料 进行表面化学处理(表面接枝大分子或基团)、表面物理改 dichIo rosilane—coated glass by Y—i r radiation【J】. Biomaterials,1 995。1 6(3):963~972 1 2 Norrman,K.,Papra。A.,Kamounah,F.S.et a1.Quantification 性(等离子体、离子注人或离子束)和生物改性是提高性能 的有效途径。材料表而改性的新方法和新技术是生物材料研 究的永久性课题 PEG及M—PEG在生物材料改性方面的应 of g rafted poly(ethylene glyco1)一silanes on silicon by time—of-flight secondary ion mass spectrometry[J].Jour— naI of Mass Spectrometry。2002,37(3):699~708 1 3 Papra。Alexander,Bernard,et aI.Microfluidic networks 用已经取得很好的成绩,并且有些研究已市场化。怎样通过 PEG的改性来获得更加优越的性能以及采用更加简单有效 的方法来改性生物材料将是以后研究的重点。 made of poly(dimethylsiloxane),Si,and Au coated with polyethylene glycol fo r patte rning p roteins onto 参考文献 surfaces[J].Langmuir,2001,1 7(1 3)。4090—4095 1 4 Papra,Alexander,Gadegaard,et a1.CharacterizatiOn Of 1 俞耀庭.生物医用材料【M】.天津:天津大学出版社,2000. 224~229 ultrathin poly(ethylene glyco1)monolayers on silicon 2 顾汉娜,徐国风.高技术有机高分子材料进展:血液相容 性高分子生物材料【M】.北京:化学工业出版社,1 996. 333~340 substrates[J].Langmuir,2001,1 7(5):1 457~1 460 1 5 Hanein,Y:Vickie Pan,Y.:Ralne rI B.D,et a1.Micromachining of non—fouling coatings for bio—MEMS applications,Sen- 3 Nagaoka S.Nakso A.Cli nical aPPIication Of sors and Actuators[J].B:Chemical,2001,81(1):49—54 1 6 Zhang,M.,Desai,T.A.,Ferrari,M.Proteins and cells on antith rombogenic hyd rogel with long poly(ethylene oxide)chains【J】.Biomaterials,1990,11(2):11g~12g PEG immobilized silicon surfaces[J1.Biomaterials,1 998, 1 9:953~960 4 顾汉卿,徐国风.生物医学材科学[M】.天津:天津科技翻 译出版公司,1993.395~398 1 7 Zhang,M.,Ferrari,M.,Hemocompatible polyethylene 5 Maechling—Strasser C,Dejardin P,Galin JC,et a1. Preadsorption of polymers on glass and silica to re— glycol f¨ms on silicon.Biomed[J].Microdevices。1 998, 1(1):81~89. duce fibrinogen adsorption[J1.J.Biomed.Mater.Res. 化工文摘2007年1期 第52页 49 维普资讯 http://www.cqvip.com

icals 7周闯.对甲苯磺酸催化合成苯甲酸乙酯【J】.安徽化工, 2002,(6):1 7 ̄1 8 及硝化反应[J].应用化学,2006。23(8):897 ̄900 1 9文瑞明,罗新湘,游沛清,等.硫酸氢钠催化合成苯甲酸 乙酯【J].精细化工中间体,2001,31(2):27 ̄28 20 Wen Rui.ming,Luo Xin・xiang,You Pei—qing,et a1.Syn— thesis of ethyl benzoate catalyzed by inorganic solid 8管仕斌。俞善信,文瑞明.氨基磺酸催化合成1一萘乙酸甲 酯【J].广州化学,2005。30(4):30 ̄33 9 俞善信.文瑞明.氨基磺酸催化台成马来酸二异戊酯【J]_化 学与粘合,2004,(5):256-257 1 0刘艳辉,刘素琴。毛卿.氨基磺酸催化合成苯甲酸乙酯【J]. 湖南理工学院学报(自然科学版)。2005。1 8(4):56一一58 acid[J1.岳阳师范学院学报(自然科学版),2003,1 6(1): 88~90 21刘静,王云芳.壳聚糖硫酸盐催化合成苯甲酸乙酯【J].成阳 1 1何子乐.有机化学中的软硬酸碱原理【M]一E京:科学出版 师范学院学报,2003,1 8(4):26~28 社,1987.10 22傅相锴,贺明谦,曾国蓉.固体超强酸HRB催化反应的研 1 2俞善信,罗玉洪.固体氯化物催化合成苯甲酸乙酯【J].化学 究,Ⅱ酯的合成【J].西南师范大学学报,1 998,(2):91 ̄94 试剂,1990,12(4):245 ̄246 23裘小宁.SO z。/ZrO AI2O。固体超强酸催化合成苯甲酸 13张鲁西。俞善信,于坤千.氯化铁催化合成苯甲酸7,11及 乙酯【J】.安徽工业大学学报(自然科学版)。2005,22(4): 其分析检测【J].吉首大学学报(自然科学版),1998,19(2): 57 ̄59,66 67~70 24吴校彬,张金辉.微波辐射固体超强酸SO 2_/TiO 一La。 催 1 4俞善信.氯化铁的催化活性及其机理的探讨【J】.化学试剂, 化合成苯甲酸乙酯【J].黄冈师范学院学报,2005,25(3): 1 994.1 6(5):257 ̄260 1 9~20,84. 1 5张长花,杨国伟.氯化锡催化合成苯甲酸7,11的研究【J]_烟 25吕宝兰。杨水金,孙艳德.磷钨酸在催化合成酯类和缩醛 台大学学报(自然科学与工程版),2002l1 5(4):31~33 (酮)中应用研究进展【J].化工科技,2005I1 3(3):49—54 1 6边延江。刘会明,吴博等.微波辐射SnCI ・5H O催化合成 26 PizziO L,VazqUe r P.TungstophOSphoriC and 苯甲酸乙酯【J].河北大学学报(自然科学版),2005,25(4): mO JybdOphOsphO rjc acids supported on zirconia as 385,404 esterification catalysts【J].catal Latt.2001,77(4): 1 7张辉.LaCI。催化对苯甲酸7,i ̄I的合成研究【J].安庆师范学 233~239 院学报(自然科学版),2004l1 0(1):55 56 27郭俊胜,赵永霞.固载杂多酸催化合成苯甲酸乙酯【J].新乡 1 8张正波,周三一,聂进。等.高分子负载Yb(NTf )。催化酯化 师专学报,2002,(4):25—26 ●第49页 Surface Science。2003,206(4):21 8~229 1 8 Jo,Seongbong:Park。Kinam.NoveI poly(ethyIenegIycoI) 25 Zhu,X.Y.,Jun,Y.。Staarup。D.R.,et a1.Grafting of high- hydrogelsfrom silylated PEGs[J].Journal of Bioactive density poly(ethylene glyco1)monolayers on Si(1 1 1) and Compatible Polymers,1 999,1 4(6):457~473 【J].Langmuir,2001,1 7:7798 7803 1 9 Jo,Seongbong;Park,Kinam.Surface modification US— 26 Lan,Sheeny,Veiseh,Mandana,Zhang,Miqin.Surface ing silanated poly(ethylene glyco1)s[J].Biomaterials, modification of silicon and gold・・patterned silicon sur.. 2000,21(6):605 616 faces for improved biocompatibility and cell patterning 20 Papra.Gadegaard,Larsen,et a1.Characte rizati0n Of uI— selectivity[J].Biosensors and BioeIectronics,2005。20 trathin poly(ethylene glyco1)monolayers on silicon (9):1697—1 708 substrates[J].Langmuir。2001 I1 7(5):1 457~1 460 27张丽惠,陈亚芍,刘鹏.低温等离子体对聚烯烃材料表面 21 Jiang,Dorthe,Gadegaard.Covalent attachment of poly 改性的研究【J].塑料工业,2003,31(6):17—20 (ethylene glyco1)to surfaces,criticaI for reducing bacte・ 28杨隽,汪建华。童身毅.微波等离子体在不锈钢上制备抵抗 rial adhesion[J].Langmuir,2003,1 9(1 7):691 2~6921 蛋白质吸附表面【J].功能材料,2005。36(5):775~778 22 Norrman。Papr。Gadegaard,et aI.QuantificatiOn Of 29杨隽,汪建华.低温等离子体对NiTi形状记忆合金的表面 grafted poly(ethylene glyco1)・silanes on silicon by time-- 改性【J].材料工程,2005。2:10~16 of—flight secondary ion mass spectrometry[J].Journal 30杨隽。汪建华.低温等离子体技术制备有机薄膜的研究进 of Mass Spectrometry,2002。37(7):699—708 展[J].表面技术。2004,33(6):1~6 23 Sharma,Sadhana,Johnson,et a1.Evaluation of the Stability 31 Yang,Jun;Wang.Jianhua;Tong,Sheyi.Synthesis and of Nonfouling U ̄rathin Poly(ethylene glycol1 ms f0r Silicon— characterizatiOn 0f PEG.1ike structures on Nitinol sur— Based Microdevices[J],Langmuir,2004。20(2):348 356 face under ECR-cold—plasma.Journal Wuhan University 24 Sharma,Sadhana。Johnson,et a1.Ultrathin poly(ethylene of Technology[J].Materials Science Edition,2005。20 glyco1) ms for silicon・based microdevices【J】.Applied (1):33—36 52 化工文摘2007年1期 

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