生物材料表面仿生磷脂化改性的研究概况*

2017-04-11黄啸郑曦徐娅娟杜良庆许佐娟

生物医学工程研究 2017年4期

黄啸，郑曦，徐娅娟，杜良庆，许佐娟

（1.铜仁学院大健康学院，贵州铜仁554300；2.铜仁学院科研处，贵州铜仁554300；3.铜仁学院材料与化学工程学院，贵州铜仁554300）

1 引言

生物材料是对人体进行疾病诊断、治疗、修复，替换其病损组织、器官或增进其功能的新型高技术功能材料。当生物材料进入体内后，首先与机体组织接触的就是材料表面，因此，生物材料表面性质决定了材料进入人体后的命运。通过有机或者无机合成的方法来改变这些材料自身性质以提高其生物相容性难度较大，且难以满足材料的生物学功能。而对材料进行表面改性且不影响材料的内部性能成为一种行之有效的简单方法［1-3］。

人体细胞膜具有磷脂双分子层结构，不仅对细胞起着支撑和保护的作用，还能进行特定的生化反应。两亲性的磷脂层具有天然的抗吸附性和生物反应活性。因此，利用磷脂构建人造磷脂层以仿生天然细胞膜优异的生物和理化性质进而对生物材料表面进行仿细胞膜改性成为提高材料生物相容性和生物活性的较好选择［4-5］。研究表明，用磷酸基团或其聚合物对生物材料表面进行仿细胞膜改性，可降低对蛋白的吸附及对血小板的黏附作用，显著提高材料的生物相容性［6-8］，所以，利用磷脂或其聚合物进行生物材料表面改性已成为提高材料生物相容性和生物活性极具潜力的研究方向之一。

2 类细胞膜仿生改性磷脂聚合物

2.1 磷脂酰乙醇胺类磷脂

生物界中，磷脂酰乙醇胺类磷脂聚合物广泛存在，在不同生物种类中的组成的结构不同，在细胞膜中起着重要的作用。其中1，2-二油酸甘油-3-磷脂酰乙醇胺（DOPE）能决定细胞膜的稳定性［9］，所以常用于纳米粒子表面改性，以增强纳米粒子在体内的稳定性。在构建仿细胞膜磷脂层时，DOPE的摩尔含量在10%以内，纳米粒子分布在癌细胞中的浓度呈上升趋势，可用于载药纳米粒的靶向化疗［10］。同时，DOPE也能用于构建递送基因的脂质体中，以增加脂质体的入胞率［11］。此外，在纳米粒子表面修饰上其他的磷脂酰乙醇胺类物质（如，1，2-二硬酯酸 -3-磷脂酰乙醇胺（DSPE）［12］，1，2-二硬酯酸 -3-磷脂酰乙醇胺（DMPE）［13］，二棕榈酰磷脂酰乙醇胺（DPPE）［14］等）均能增加纳米粒子在溶液中的稳定性。

磷脂酰乙醇胺类在细胞膜中起着重要的作用，生物相容性好，但人工合成繁琐，需要极昂贵的试剂，所得产品的产率非常低，限制了深入研究。同时，磷脂酰乙醇胺类的某些衍生物的生物相容性有待实验验证。

2.2 磷酸胆碱类磷脂

磷酸胆碱具有两亲性，参与组成细胞膜基本单元的亲水端基，是细胞外层膜中的主要成分。由于磷酸胆碱具有良好的生物相容性，研究人员合成并开发了一系列磷酸胆碱类磷脂。

目前，已经有很多磷酸胆碱类磷脂问世。2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱（MPC）的单分子层就可构建类细胞膜结构，能为生物材料表面和机体系统提供良好的反应界面［15］。在此基础上将MPC、甲基丙烯酸十八酯（SMA）、对硝基苯氧羰基聚乙二醇甲基丙烯酸酯（MEONP）聚合，制备出新型仿生细胞膜涂层材料（PMSH），并将PMSH涂覆到支架材料上，得到了很好的亲水性和良好的血液相容性，可以实现涂层的内皮细胞选择性［16］。Jia等［17］用丙烯酰氧乙基磷酸胆碱仿生材料涂覆在一种人工合成的药物载体（G5 PAMAM）上，通过细胞活性和细胞形态的研究表明，丙烯酰氧乙基磷酸胆碱仿生涂层能够明显降低（G5 PAMAM）的细胞毒性。Long等［18］利用磷酸胆碱和聚乙二醇改性聚乳酸薄膜，明显降低了材料的疏水性，增强了水合作用，抑制了纤维蛋白原和牛血清白蛋白的吸附，从而表现抗血小板吸附特性。

磷酸胆碱是一种具有仿细胞膜结构的化合物，基于磷酸胆碱基的各类聚合物不仅可有效改善材料的血液相容性，而且可有效地实现对抗包括蛋白质，血小板和细胞的非特异性吸附，已成为心血管植入材料界面修饰的有效手段之一［19］。磷酸胆碱类磷脂合成简单，成本较低，俨然已成为磷脂聚合物发展史上的重要突破。

2.3 其他种类的磷脂

磷脂聚合物的种类非常多，不同种类的磷脂聚合物也具有不同的性质，研究者们也致力于利用不同的磷脂聚合物对生物材料进行表面改性，进而满足不同的生物学功能。（2，3-二油酰基-丙基）三甲基氯化铵（DOTAP）是一种阳离子磷脂，常被用于材料表面改性，使得之表面富含正电荷，方便携带呈负电的基因进入细胞内［20-22］。Reinhardt等［23］利用DOTAP在二氧化硅纳米粒子表面构建了一层阳离子表面膜层，制备了一种能在高浓度盐溶液中保持稳定的DNA载体。因此，这种载体在机体环境内仍能保持高的稳定性。除纳米粒子之外，DOTAP还能在平面材料表面构建仿生的三维磷脂分子层，用以携带 RNA分子［24］。

磷酯酰丝氨酸（PS）位于细胞膜的内层，是具有负电荷的双亲性分子。利用PS对羟基磷灰石进行表面改性，可明显降低非特异性蛋白的吸附［25］。PS还具有催化生物矿化过程的作用，将PS与赖氨酸交联制备出树枝状聚合物，沉积在二氧化钛表面形成单分子层，在模拟生理流体力学状态下，相对于对照组能明显增加MG63和SAOS-2细胞的黏附率和增殖率，还能促进SAOS-2细胞朝成骨细胞方向分化［26］。

磷脂聚合物因其具有与细胞膜相似的组成成分及结构，具备良好的生物相容性，血液相容性和抗蛋白质吸附特性，因此，在药物载体，牙科材料和再生医学等生物医学领域极具应用前景［27］。

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3 仿生磷脂化改性方法

仿生磷脂化表面改性的方法一般分为物理法和化学法。物理法通常包括表面涂覆、共混、LB膜3种方法。化学法通常包括表面自组装、基团接枝或聚合等。

3.1 表面涂覆法

磷脂聚合物可在基体材料表面形成磷脂双分子层，改善材料的生物相容性。最直接和简单的方法就是将聚合物配成溶液涂覆在材料表面，待溶液蒸干后自然成膜。

郝立波等［28］制备了RNAⅢ抑制肽/磷酸胆碱基细胞膜仿生药物聚合物。将洁净的316L不锈钢片浸渍于聚合物和RNAⅢ抑制肽的四氢呋喃混合溶液中，制备聚合物涂层，根据国标进行兔溶血实验、凝血实验、血小板聚集实验。实验结果表明RNAⅢ抑制肽/磷酸胆碱基细胞膜仿生药物涂层具有良好的血液相容性。但是表面涂覆法的缺点是膜层与材料表面形成的结合力不强，致使整体结构稳定性不高。为了改进这一问题，Wang等［29］引入甲基丙烯酸-3-三甲氧基硅丙酯与磷酸胆碱形成交联聚合物，能在生物材料表面形成分子更为密集、稳定程度更高的磷脂分子层。

表面涂覆方法是表面改性的基本方法，对于磷脂类双亲性分子，在溶剂干燥的过程中，憎水基团占据表面位置使表面自由能降低，因而得到与细胞外层膜结构相反的表面。当该表面与水接触时，表面基团由于亲/疏水作用可重新取向，从而降低表面自由能。

3.2 共混改性

共混聚合物是由两种以上聚合物混合得到的多组分体系。磷酸胆碱聚合物可与聚砜［30］、聚氨酯［31］等共混，形成具有纳米或微米相的磷酸胆碱表面。Takai等［32］将MPC与聚二甲硅氧烷共混，制备出高抗生物污染性和高通透性仿生医用橡胶，表现出优越的表面亲水性，抗蛋白质吸附特性和电渗透性。

磷酸胆碱聚合物的极性较强，与极性弱的聚合物混合的相容性较差，因而很难获得结构稳定、功能突出的共混体系。在溶液中将聚合物各组分分别交联形成各自的网状结构，不同聚合物网络相互穿插可形成聚合物互穿网络。互穿网络结构中不同聚合物之间没有化学键连接，因而互穿网络是一种特殊的共混体系。互穿网络用连锁结构克服了普通共混键体系的稳定性难题，在生物材料的研究与开发领域有良好的应用前景。

3.3 LB膜法

LB膜法是将同时具有疏水基团和亲水基团的两亲性分子溶于挥发性的有机溶剂中，铺展在气/液界面上，待溶剂挥发后沿着平行液面的方向横向施加一定的表面压，这样溶剂分子便在液面上形成紧密排列的有序单层膜，然后通过垂直或水平法将LB膜转移到固体基片表面。LB膜所具有的物理结构和化学性质与生物膜极为相似，具有非常好的生物相容性，能把功能分子固定在指定的位置上，获得特定的功能。利用卵磷脂、半乳糖脑苷脂和胆固醇构建的LB膜表现出良好的血液相容性，非特异性蛋白和血细胞的吸附率都显著下降［33］。

3.4 自组装成膜法

形成自组装膜的方式一般有以下两种：一种是先在溶液的表面铺展特定的两亲性分子膜，然后将一定量的活性生物分子注入底相溶液中，当活性生物分子扩散后就会被吸附到两亲性分子膜表面，形成自组装膜；另一种方式是先将一定量的活性生物分子注入底相溶液中，然后在溶液表面铺展特定的两亲性表面活性剂，当两亲性表面活性剂形成单分子膜后，就会吸附底相中的活性生物分子自动组装成膜。分子自组装成膜是分子间作用力协同作用的结果。自组装膜具有取向性好、有序性强、排列紧密等特点，利用磷脂分子自组装特性在材料表面构建自组装膜已成为细胞膜仿生生物材料研究的重要手段。

层层自组装是近些年来发展的一种新型的组装方式，将含磷酸胆碱基团的聚合物通过静电力层层自组装，可轻易控制薄膜厚度，构建出排列高度有序的低细胞毒性表面［34］。Fujie等［35］利用层层自组装技术在材料表面构建了厚度为11 nm的MPC纳米薄片，增大了材料表面的亲水性，从而增强了材料的抗生物沉积性和抗凝血活性。

3.5 基团接枝或聚合法

在高分子聚合膜表面接枝含官能团的磷脂分子是制备磷脂改性仿生膜的重要方法之一。用这种方法可以将磷脂分子以化学键的方式结合在高分子聚合膜表面，形成稳定的复合膜，而且不会改变高分子聚合膜的内部结构。另一种方法是原位聚合，该方法是利用磷脂的自组织性，在聚合膜表面通过原位聚合物形成复合膜。基本过程是将含有可聚合基团的磷脂单体吸附到高分子聚合物的表面，形成单层膜或多层膜。然后再引发磷脂单体二维聚合，可以形成聚合物支撑非对称聚磷脂复合膜。除此之外，还有臭氧引发表面聚合、光引发表面聚合、光固定表面接枝等方法。

近些年来，石墨烯在生物医学领域的应用备受关注［36-38］，但其在生物体液中容易发生聚集，严重影响其功能的执行。石墨烯氧化物表面富含羟基，可以与MPC上的甲基丙烯酸酯基发生自由基聚合。将磷酸胆碱分子通过自由基聚合方法接枝到石墨烯表面就能很好的避免其在生物体液的聚集效应［39］。Goda等［40］利用硫醇烯反应，将MPC分子上接上具有反应活性的巯基，进而对金表面进行修饰，使得金表面接枝上富含MPC的薄膜。由于磷酸胆碱具有良好的抗生物沉积效果，将其嵌入聚合物主链或接枝到支链上都能增强聚合物的抗生物沉积性。通过迈克尔加成反应，将MPC接枝到PEI的支链上，可得到制备具有优良抗生物沉积作用的基因载体材料［41］。