化学改性处理对生物材料表面性能的影响及应用

化学改性处理对生物材料表面性能的影响及应用

河南工业大学生物工程学院裴佳龙

[摘要]介绍了影响生物材料相容性的表面性质及化学方法对生物材料表面改性处理，综述了化学改性材料应用。

[关键词] 生物材料表面性质化学改性处理改性生物材料的应用

一、前言

表面改性是指不影响材料主要特性(即利用材料本体特性的优点)而提高材料特殊表面性质的技术。生物材料是用以和生命系统结合，以诊断、治疗或替换机体中的组织、器官或增进其功能的材料。

最早使用的生物材料是金属。它作为人工器官的修复和代用材料已有一百多年的历史。目前用于修补骨骼系统的金属材料主要有医用不锈钢、医用钴合金、钛合金、形状记忆合金、医用磁合金等。因其具有良好的生物相容性和耐蚀性,目前已在诸如畸齿整形、脊柱矫形、断骨接合、颅骨修补、新血管支撑等方面有广泛的应用。这类材料要作为人体的一部分,所以对它要求很高;移植入人体体内不会引起急性或慢性危害,必须无毒无副作用;接触人体各种体液(如唾液、淋巴液、血液等)时,应有良好的耐腐蚀性能,不会在生物体内变质;具有必要的强度、耐磨性和耐疲劳性能等。除满足上述条件外至关重要的是材料与生物组织、与血液有相容性(不会引起血液凝固或溶血);与软组织有良好的粘连性,不会产生吸收物和沉淀物。因此进一步改善植入材料的生物相容性、抗腐蚀能力,增强其与肌体组织的结合力,提高安全使用性能仍是金属生物材料推广应用所面临的主要问题。

二、影响材料生物相容性的表面物理化学性质

材料的生物相容性除受材料本体性质影响外, 更大程度取决于材料的表面物理化学性质, 具体地表现在以下几个方面：

2.1材料表面的化学结构

高分子材料表面的化学结构对细胞的粘附、生长具有非常重要的影响一般认为矾基、硫醚、醚键等对细胞生长影响不大；刚性结构如芳香聚醚类不利于细胞粘附梭基、经基撅酸基胺基、亚胺基及酞胺基等基团可促进细胞粘附和生长磺酸基能模拟肝素的生理活性而显示出较好的促进细胞粘附和生长的性质含氮基团不仅能使材料表面带上一定的正电荷（胺的阳离子化）调节表面的亲疏水性, 而且可以与蛋白质肤链发生官能团之间的作用, 从多角度来促进细胞的生长, 这已成为促进细胞粘附和生长材料表面改性的一个重要措施。

2.2 材料表面的亲疏水性

大量的研究表明亲水性的表面比疏水性表面更有利于细胞生长。亲水性表面的吸附作用较弱,吸附可逆, 使吸附的蛋白质相对较易实现伸缩运动, 进行结构调整、重组，以适合细胞生长的需要而疏水性表面吸附作用强, 吸附不可逆, 不易发生结构重组, 而且强的相互作用对细胞有丝分裂期间的脱丝不利。

2.3 材料表面的拓朴结构

材料表面的拓朴结构, 如材料表面的粗糙度、孔洞大小及其分布、沟槽的深度和宽度、纤维的粗细等等, 都会对细胞形态、粘附、铺展、繁殖及活性有着重要的影响，其中材料的刻槽、开孔结构、纹理结构对细胞相容性的影响已有较多

研究。

2.4材料表面的电荷状况

材料表面的电荷性质、电荷密度对细胞生长有着重要的影响一切脊椎动物细胞, 在生理下, 表面都带有分布不均匀的负电荷, 因此, 带正电荷的材料表面与带负电荷的细胞之间的静电吸引作用有利于细胞的粘附。

2.5材料表面负载活性因子

细胞外基质及血清都是由非常复杂的蛋白质、生物大分子和小分子组成的混合体系, 其中含有对细胞粘附、生长、繁殖有促进作用的多种活性因子, 如果把这些具有生理活性的因子固定到材料的表面, 或对材料进行预涂沉积处理, 可以为细胞的粘附生长提供理想的条件。这是材料表面化学改性, 提高材料生物相容性的一个重要手段。

三、化学方法对材料的表面改性

针对上述这些对材料生物相容性有重要影响的表面物理化学性质, 目前, 对聚合物的表面改性以提高材料生物相容性的化学方法有以下几种：

3.1.接枝改性

在聚合物表面接枝带有对细胞的粘附和生长具有促进作用的功能基团, 是材料表面改性的一个重要方法，可分为：

（1）偶联接枝, 通过被接枝聚合物表面的反应性基团与接枝聚合物上的基团的反应而实现的；如Ikada等将六甲基二异氛酸酷与乙烯一乙烯醇共聚物（EVA）反应, 在EVA表面引人异帆酸根,通过异氛酸根与葡聚糖或胺基葡聚糖反应将其接枝到表面,接枝以后的EVA亲水性好, 与细胞的相容性大大增强.

（2）化学引发, 通过试剂与聚合物的表面组分发生反应产生活性中心引发单体的聚合;如将含偶氮基团的单体与聚合物表面的经基反应引人聚合物表面, 通过偶氮基团的热分解引发单体在聚合物表面的聚合。

（3）臭氧引发, 聚合物在臭氧的作用下表面被氧化, 通过自由基加成反应可将单体接枝到聚合物表面, 其优点是不管材料的表面形貌如何, 均可在表面均匀地引人一层过缄化活泼基团，而且表面过拿愁团的含量易控, 臭氧氧化及过氧基团的分解不会导致聚合物链的降解。

3.2.聚合物表面基团的改变

利用聚合物本体材料中已存在的基团的反应或通过主链侧基上某些反应活性高的基团或原子的反应, 可使聚合物表面产生小分子功能基团;如常用的聚烯烃材料PE、PP 等, 主链较稳定, 通过表面氧化可在表面引人经基等功能基团又如含有易被水解的醋基的聚合物PMMA、PET等可在碱溶液中部分水解使表面产生梭基, 与二元胺反应可在表面引人胺基, 与乙醉反应可引人经基等,这些活性基团的引人, 可适当提高材料的亲水性, 从而改善材料的生物相容性。

3.3.生物活性分子的固定

如前所述, 材料表面引人生物活性分子可以促进细胞的粘附和生长, 因此将生物活性分子固定到材料表面是提高其细胞相容性的重要方法。蛋白质在聚合物表面的固定主要有物理吸附和化学固定二种：

3.3.1.物理吸附, 即通过静电吸附作用可将含有多个负电荷的生物活性分子固定于材料中带正电荷的部位。这是在材料表面引人活性分子中最简便的一种方法。

3.3.2.化学固定, 将生物活性分子中的某些基团与基质表面的反应性基团