陈红教授团队Macromolecules展望 | 生物材料表面大分子修饰策略:基础研究与应用挑战

2023-05-22 17:10

以下文章来源于ACS材料X ,作者ACS Publications

ACS材料X.

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英文原题:Macromolecular Modification Strategies for Biomaterial Surface: Challenges in Fundamental Research and Applications

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通讯作者陈红

作者王境鸿,陈红


背景介绍


几乎所有生物材料的应用都涉及其表面与生物环境的相互作用。材料的表面特性会影响生物材料的整体生物相容性和功能性。表面与环境之间相互作用的类型和强度反过来又决定了生物材料表面的设计策略。


谈到生物材料表面的研究,离不开大分子的“身影”。生物材料表面研究的重点之一是蛋白质(蛋白质本身就属于生物大分子)与表面的相互作用。蛋白质吸附以及后续的细胞粘附是生物材料与人体组织接触时发生的初始事件。这些初始事件是生物材料发挥功能的关键,也可能是引发不良反应(如血栓、感染、炎症)导致生物材料应用失败的触发因素。另一方面,大分子表面改性技术被广泛研究应用于生物材料表面,用于增强生物材料的功能性,减少不良反应的发生。由于大分子-生物材料表面相互作用的基础研究和原理应用在生物材料开发与医疗器械创新中发挥着举足轻重的作用,这一领域长期以来一直是科学家和企业研发人员关注的重点。


文章亮点


近日,苏州大学陈红教授团队受邀在Macromolecules上发表了观点文章,概述了生物材料表面大分子修饰策略中的基础研究与应用挑战。该观点回顾了生物材料表面改性方法中惰性策略和活性策略发展思路和阶段性成果,剖析了在真实生理环境下不同策略效果不同的深层次原因,探讨了表面改性技术和表征技术在成果转化过程中所面临的实际难题。


图文解读


研究大分子-生物材料表面相互作用的一个经典案例来自血液接触材料。当材料与人体血液接触时,首先在表面发生快速的非特异性蛋白质吸附,随后这些蛋白质中的一部分会诱导血小板吸附和血栓形成。原则上,消除不必要的蛋白质吸附是抑制血液接触材料表面发生不良反应的关键。为此,早期的研究人员试图构建一个“惰性表面”来防止蛋白质吸附。常见的策略是在材料表面构建亲水聚合物层,该层屏蔽暴露的基材表面并形成水合外壳以防止蛋白质的吸附。在这方面,聚乙二醇(PEG)和聚(甲基丙烯酸羟乙酯)(PHEMA)以及电中性的两性离子表面是研究的重点。


尽管生物惰性表面的研究结果令人鼓舞,但惰性表面只能防止而不是消除蛋白质吸附。少数无污染表面的报告仅来自SPR测定结果,这些结果尚未通过其他检测方法(例如同位素标记)进行验证,或在真实血液环境中得到证实。从大分子物理的角度来看,蛋白质吸附在热力学上是不可避免的,惰性聚合物刷子只是在动力学上延缓了这一过程。而对于血液接触材料,即使是非常少量的纤维蛋白原(7-10 ng/cm2)吸附也会导致材料表面血液相容性不理想,这使得惰性表面在长期应用过程中的抗蛋白吸附能力受到质疑。


与完全“惰性”策略相比,基于仿生原理构建结合特定蛋白质并抵抗非特异性蛋白质吸附的“生物活性表面”似乎更明智。在众多“活性表面”中,肝素表面研究最为深入并实现商业化,被应用于人工血管、支架、ECMO等血液接触类器械。“活性表面”的另一个有趣设计来自对人体纤维蛋白溶解系统的模仿。在这一领域,陈红教授团队和Brash教授团队进行了深入的研究。“活性表面”应用的挑战来自活性分子的来源、灭菌要求和产品的货架期。在这些因素的影响下,合成聚合物改性的“活性表面”显示出潜在的应用优势。


大分子改性的挑战还来自修饰策略的实用性。例如通过经典的表面引发聚合获得的亲水聚合物刷通常非常薄。这种聚合物刷在平面材料的修饰和测试(通常在石英表面上制备)中表现出非凡的润滑性能,但在实际摩擦中通常缺乏耐磨性。这是因为实际的摩擦界面是凹凸不平的,施加足够大的压力会导致聚合物刷润滑性能的丧失,甚至破坏聚合物刷与基材之间的共价连接。因此,市售的亲水性润滑涂层优选在材料表面制备薄的吸水聚合物层。这种亲水聚合物层不是完全交联的,而是通过光或热将亲水性大分子,如聚乙烯吡咯烷酮和聚丙烯酰胺等,适度交联于基材表面。这一策略在确保聚合物层良好吸水性和牢固度的同时赋予聚合物链一定程度的自由运动性,从而使其具有出色的润滑性(图1)。上述策略已被提供亲水润滑涂层服务的公司如DSM,Surmodics和百赛飞应用于介入和植入器械, 并已取得大量医疗器械注册证。


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图1. 亲水润滑涂层从实验室到产品转化中所采用的不同制备原理


总结/展望


回顾过去二十年,大分子与生物材料表面相互作用的基础研究以及大分子修饰策略的发展取得了令人瞩目的成就。然而,一个无法回避的事实是,大量的大分子修饰创新技术仍处于实验室阶段。技术转化在原材料安全性、涂层重复和稳定性、涂层装备的匹配性、涂层表征与评价等方面存在挑战。这些挑战本质上是如何从基础研究向产业化转化的问题。挑战与机遇并存,对大分子-表面相互作用的基础研究将继续推动生物材料在医疗器械等应用领域的创新,并为全人类带来健康益处。


通讯作者信息

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陈红   苏州大学特聘教授

陈红,苏州大学特聘教授,博士生导师,“国家杰出青年科学基金”获得者,英国皇家化学学会资深会士,国际生物材料科学与工程学会联合会终身荣誉会士,Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 编辑,Chemical Society Reviews, Materials Horizons,Biomacromolecules 等期刊顾问编委,中国生物材料学会生物材料表界面工程分会主任委员,全国医用体外循环设备标准化技术委员会委员,中国生物材料学会标准工作委员会委员,中国生物材料学会生物材料生物学评价分会委员,苏州工业园区生物材料表界面工程研究院院长。


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Macromolecules 2023, ASAP

Publication Date: May 9, 2023

https://doi.org/10.1021/acs.macromol.3c00210

Copyright © 2023 American Chemical Society

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