生物材料表面改性以提高生物相容性

PEEK生物相容性改性
方案设计：
聚醚醚酮（PEEK） 共价键偶联 rhBMP-2 生物活性界面
胶原蛋白吸附
胶原蛋白ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ交联 细胞培养/组织 学评价
生物力学
PEEK生物相容性改性
碳二亚胺缩合剂（一类酰胺化试剂）
酰胺化反应
常用碳二亚胺试剂
N,N-二环己基碳二亚胺 (DCC)
1-(3-二甲胺基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐 (EDCI)
主要参考 L. Olde Damink, P Dijkstra, M. van Luyn. Biomaterials. 1996,17:679-664 M. Pires, D. Przybyla, C. Perez. J. Am. Chem. Soc.2011, 133(37):14469–14471 M. Wissink, R. Beerinik, J. Pieper. Biomaterials, 2001, 22:151-163 馬純媛. 硕士论文. 国立中央大学（台湾）. 2000. 刘雅馨. 硕士论文. 国立东华大学（台湾）. 2005. 王迎军, 杨春蓉, 汪凌云. 华南理工大学学报(自然科学版). 2007, 35: 66-69
形貌
改性方法： 表面氧化（烧蚀、电晕处理） 表面刻蚀（使其表面出现凹凸坑） 表面吸附（吸附一些物质改变表面特征） 表面接枝（接上一些链段改变亲和性或者反应性） „
Buddy D. Ratner. Biomaterials Science: An Introduction to Materials in Medicine[M]. Elsevier Inc. 2007.
生物材料表面改性提高生物相容性
转化医学中心 客座学生 杜亚伟
(尚博课题组) 武汉工程大学 专业：高分子化学与物理
生物材料表面改性以提高生物相容性
Polysaccaride DNA Protein
生物材料表面
Cell
Bacteria
Virus
内容提要
两种生物相容性改性策略
材料的生物相容性很难精确定义或准确测量但是毫无疑问生物相容性研究是 生物材料非常重要的研究方向。
表面形貌修饰
表面形貌对细胞粘附有影响（微纳米结构仿生）
血管壁的表面形貌
横截面
蛋白质
通过化学改性
细胞
H Chen. Langmuir. 2010, 26: 17812–17815.
物理/化学吸附改性
物理吸附 疏水作用、氢键作用、静电作用等 简单、方便、适用范围广。 化学吸附 巯基-金属/弱相互作用力 单层自组装（SAMs）
抗污
生物 活性
材料生 物相容 性表面
Steven R. Meyers. Mark W. Chemical Reviews. 2012, 112: 1615-1632.
两种生物相容性改性策略
抗污表面 通过表面引入聚合物来阻止特定 蛋白的吸附，对细胞和蛋白质 “隐形”，达到生物相容性的目 的。
生物活性表面 通过表面引入生物活性物质对细 胞膜进行仿生，达到生物相容性 的目的。
人工椎间盘项目
共价键偶联rhBMP-2
碳二亚胺法将rhBMP-2连接到胶原蛋白上，采用碳二亚胺（EDC/NHS）预先活化rhBMP-2上 的羧基与胶原蛋白上的氨基偶联。 rhBMP-2设置四个浓度0μg/ml、0.1μg/ml、0.5μg/ml、1μg/ml。（PBS缓冲液） 步骤： 1. 配制EDCI、NHS溶液。 2. 10μg冻存管中加入1mg 20mM醋酸，在用EDCI/NHS的PBS溶液稀释到需要的浓度 3. 室温活化rhBMP-2中羧基10min 4. 依次加入对应的孔中 5. 室温4h 6. PBS洗两遍 7. 紫外灭菌 8. 环氧乙烷灭菌
活性自由基聚合
优势： 1 精确控制分子量，分子量分布窄 2 端基官能化 3 分子设计方便，制备各种拓扑结构 分子及嵌段聚合物链
ATRP休眠种-活性种平衡式
Matyjaszewski. Chem. Rev. 2001, 101: 2921-2990. H Chen. Macromolecular bioscience,2011,11:1031-1040.
缩合活化剂
4-N,N-二甲基吡啶（DMAP）、1-羟基苯并三氮唑(HOBt)、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)
选用的碳二亚胺缩合剂组合： EDCI/NHS (目前非常成熟、开放的蛋白质偶联体系)
最适 pH 4.5-7.2
L. Olde Damink, P Dijkstra, M. van Luyn. Biomaterials. 1996,17:679-664 M. Pires, D. Przybyla, C. Perez. J. Am. Chem. Soc.2011, 133(37):14469–14471 M. Wissink, R. Beerinik, J. Pieper. Biomaterials, 2001, 22:151-163 INSTRUCTIONS:EDC 说明书. Thermo Scientific
生物 活性
表面直接连接短肽
双功能 生物相 容表面
Biomaterial
亲水聚合物链
步骤： 生物活性分子 1 表面可反应官能团注入（等离子沉积） 2 接枝分子链（或表面引发聚合） 表面引发原子转移自由基聚合 3 连接生物活性物质 （SI-ATRP）
共价键结合改性
原子转移自由基聚合用于生物材料表面改性
人工椎间盘项目-PEEK生物相容性改性
S. M. Kurtz. PEEK biomaterials Handbook [M]. Elsevier Inc.
细胞培养-毒性研究：PEEK对成骨细胞以及成纤细胞没有明显的细胞毒性和诱变作用,可能是异 D.Williams, A. McNamara, R. Turner. J. Mater. Sci. Lett.1987,6: 188 体移植的一个选择。
设计主要参考： N. Hanagata, T. Takemura, A. Monkawa. Biochem. & biophy. Research communications, 2006, 344:1234-1240 V. De Cupere, P. Rouxhet. Suface science, 2001, 491:395-404 S. Woodcock, W. Johnson. Z. Chen. J. Colloid & interface science, 2005,292: 99-107 M. Wissink, R. Beerinik, J. Pieper. Biomaterials, 2001, 22:151-163 M. Pires, D. Przybyla, C. Perez. J. Am. Chem. Soc.2011, 133(37):14469–14471 P Ying, Y Yu, G Jin. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2003, 32: 1-10
L.M. Wenz, K. Merritt, S.A. Brown. J. Biomed. Mater. Res. 1990, 24 (2): 207-215 A.Hunter, C. Archer, P.S. Walker. Biomaterials. 1995 ,16(4): 287-295. C. Morrison, R. Macnair, C. Macdonald. Biomaterials. 1995, 16(13): 987-992.
骨融合性：PEEK本体是生物惰性材料。没有附加涂层或者改性的PEEK材料没有生物活性。 但少数文献中也有直接骨接触的情况下也有PEEK本体与脊椎骨融合的例子，但是由于生物惰性 并不能形成化学键。同时可能产生碎屑诱发炎症。
J.M. Toth, M. Wang, B.T. Estes. Biomaterials. 2006. 27 (3): 324-334.
Steven R. Meyers. Mark W. Chemical Reviews. 2012, 112: 1615-1632.
抗污生物材料表面
• 抗污（antifouling）表面是指抗蛋白质吸附或细胞粘附的表面，其更为广泛的定义 是抗蛋白质表面和“隐蔽”表面。 提高生物材料表面的亲水性 是减少其与蛋白质和细胞相 互结合的最常用方法。 亲水性聚合物
软组织反应：第7天最高值。巨噬细胞和异物巨细胞引起的温和的慢性炎症反应。
K.A. Jockish, S.A. Brown, T.W. Bauer. J. Biomed. Mater. Res. 1992, 26 (2): 133-146 O. Petillo, G. Peluso, L. Ambrosio. J. Biomed. Mater. Res. 1994 28 (5)：635-646. .
人工椎间盘项目
胶原蛋白吸附
48孔板及96孔板中无菌操作 选用鼠尾I型胶原蛋白进行物理吸附 （Gibco，3mg/ml，分子量 300 kd，酸溶型,） 设置五个浓度1μg/ml、10μg/ml、50μg/ml、100μg/ml、1mg/ml，干燥，水接触角估算覆盖率， 测吸附效果。 每组3个样。8mm片材 。 步骤： 1. 配制20 mM 醋酸 2. 配制固定浓度的胶原蛋白 3. 依次加入48孔板中对应孔 4. 室温干燥 5. 接触角测量（疏水到亲水转变）
聚合物
具有氧化层的金属
Buddy D. Ratner. Biomaterials Science: An Introduction to Materials in Medicine[M]. Elsevier Inc. 2007.
共价键结合改性
抗污 界面
表面接枝聚合物
grafting to :接枝到主链法 grafting from: 从主链接枝法
人工椎间盘项目
方案设计：
PEEK预处理
选用PEEK (Evonik, Vestakeep i4 R, 400×8mm,h9)
直径8mm柱状PEEK材料，切割为厚度约1mm的圆片状，150片。 砂纸打磨，测接触角。 一部分108片打磨到5mm直径放进96孔板（细胞毒性-增殖）。 另一部分50片8mm直径放进48孔板（预覆盖胶原、测ALP活性、钙结节染色） 丙酮浸泡，清洗，干燥，测接触角数据。
吸附+交联+固定BMP-2
在亲水聚合物抗污表面引入活性物质获得双功能 的生物相容性表面
表面固定蛋白质或RGD等短肽序列
Steven R. Meyers. Mark W. Chemical Reviews. 2012, 112: 1615-1632.
表面改性方法
控制材料表面与蛋白质和细胞的相互作用
化学性质
人工椎间盘项目
胶原蛋白间交联
吸附在材料表面的I型鼠尾胶原蛋白进行碳二亚胺法偶联（使用偶联剂 EDC/NHS） ，羧基与 氨基均为胶原蛋白分子中的基团，提高吸附牢固度及缓解胶原蛋白体内降解。 （PBS 缓冲液） EDCI、NHS均选用阿拉丁试剂公司产品。
步骤： 1. 根据胶原中的羧基含量，计算投料，选择EDCI:NHS:collagen-COOH500:500:1(mol比)的 投料比 2. EDCI，NHS配制到PBS缓冲溶液中 3. 根据每孔的情况添加对应的交联剂溶液 4. 室温交联4h 5. 移去交联溶液，PBS溶液清洗
聚乙二醇 （PEG） 聚甲基丙烯羟乙酯 （PHEMA）
接枝到材料表面形成聚合物分子刷
人造血管
H Chen. Macromolecular bioscience,2011,11:1031-1040.
活性功能生物材料表面
将一些生物活性物质（列如特定的生长因子等）固定到生物材料表面使其表 面具有生物活性，利于细胞的粘附和生长。
主要参考： C. Chang, C. Tsao, K. Chang. J. Bioact. & compat. polym. 2010,25:465-482 M. Wissink, R. Beerinik, J. Pieper. Biomaterials, 2001, 22:151-163 X. Ren, Y. Wu, Y. Cheng. Langumuir. 2011, 27: 10269-12073