輻射技術在醫學高分子材料中的應用研究(上)

為了引導近年來，面向現代生物藥、臨床學、組織工程、仿生器官的巨大應用需求，生物用材料已經成為當今材料科學發展的*重要熱點之一。為了滿足日益發展的生物用材料的多樣性需要，基于其應用的內在特點，高效、低殘毒、清潔方便的反應與相關制備法受到極大的關注。

與傳統的高分子化學制備方法相比，輻射法制備改性用材料的優點在于：

1.不需要添加劑，沒有引發劑殘留，可以得到清潔、安全的接枝共聚物，保證材料的純凈性。

2.輻射接枝操作簡單易行，可以在常溫或者低溫下進行，并可以通過調整射線輻照劑量、劑量率、接枝聚合單體濃度和基材溶脹的深度控制反應程度。

3.輻射過程對材料也是一個消毒過程，避免了其他消毒方法對制品的破壞。

改善學材料表面生物相容性

生物相容性是貫穿生物材料研究的一大主題。國際標準化組織ISO制定了用材料的生物相容性評價指導原則以及標準實驗方法的國際標準，中國在上世紀70年代也開始了生物相容性研究以及評價方法的標準化。生物相容性是生物材料與人體之間的相互作用從而產生的物理、化學、生物反應的概念。

生物相容性包括組織相容性(Tissue compatibility)和血液相容性（Blood compatibility）。

組織相容性是指材料與活體組織之間相互包容的程度，包括材料在生理條件下的老化，以及由于材料的存在而產生的生物學反應，除了全身毒性外，更多的是材料周圍組織的局部反應，如炎癥、免疫、誘變以及癌癥。材料表面與蛋白質等生物大分子及細胞之間的相互作用是產生組織生物學反應的根本原因。

例如，矽膠植入人體後會產生纖維囊壁痙攣，這主要是由于矽膠材料表面的疏水性，使其不具備人體組織的水凝膠結構。在矽膠表面共輻射接枝親水性單體N-乙酰烯基吡咯烷酮并植入人體後，矽膠表面形成一層穩定的水凝膠，大大降低了組織對矽膠的異物反應，增加了其生物相容性。

血液相容性是生物用材料的一個十分重要的性質。理解血液相容性是研究血液相接觸性材料的一項非常重要的內容。血管內壁是一層生物膜，該膜含有磷脂、固醇、糖鞘脂，其中磷脂和糖鞘脂含有兩條烴鏈，能夠組裝成脂雙層；脂雙層的存在賦予了血管內壁的生理功能。外源用材料不同于血管，它不能產生并釋放抑制因子，從而促使凝血因子失活，必然不能避免血栓的生產。

生物材料的抗凝血性是由其表面與血液接觸後所形成的蛋白質吸附層的組成與結構所決定的。而吸附層的組成與機構又取決于材料表面的化學結構與形態。因此，如果控制了蛋白質吸附層的組成與構象，也*決定了材料的血液相容性。當材料表面吸附層主要為球蛋白與纖維蛋白時，將激活凝血因子與血小板，導致級聯反應而形成血栓，而當蛋白吸附層為白蛋白，植入物表面會出現白蛋白鈍化，從而阻止凝血的發生。用Υ射線輻照技術能使植入物表面與白蛋白之間以共價方式結合，從而降低血小板的粘附量。

引起血栓的另一個重要因素是材料表面的物理化學特性以及血小板的活躍程度。常見的材料表面肝素化有明顯的抗凝血與抗血栓功能，是由于肝素能作用于凝血酶，從而抑制纖維蛋白原向纖維蛋白的轉變，*終達到抗凝血目的。如應用有機高分子功能材料制備的血液透析膜已經廣泛應用于血液過濾、分離，其中由天然高分子纖維素制成的透析膜在范圍內占85%的份額。為了提高其血液相容性，通過輻射接枝共聚的方法在纖維素血液透析膜的表面引進新的親水性基團，并進一步接枝抗凝血劑，可以大大提高透析膜的生物相容性。

聚四氟乙烯(PTFE)塑膠板浸潤性很差，滴上的水滴成球形，可以在板面上滾動，浸潤角達135度。

提高用材料表面親水性

用高分子材料往往具有疏水性基團，材料的疏水性容易引起材料對蛋白質的吸附，從而引起血栓，因此，生物材料的表面改性需要提高材料的親水性。輻射技術能將親水性分子接枝到疏水性高分子材料表面，從而使其接觸角下降，提高材料表面的濕潤性。

早在上世紀50年代，人們*發現，可以用輻射引發高聚物進行接枝反應。聚合物經輻射接枝後，可明顯改善材料的表面狀態。根據輻射與接枝共聚合反應的實施方法差異，可大體分為預輻射接枝共聚合法和共輻射接枝共聚合法。

預輻射接枝共聚合

預輻射接枝共聚合是高分子材料先深度輻照，產生穩定的自由基，或者先在空氣中輻照生成穩定的過氧化物或者氫化物，然後在輻射場外使被輻照聚合物與單體溶液接觸，進行接枝反應。

該方法的特點是射線輻射與接枝共聚合反應分開兩步進行，具有下列特點：

1.接枝共聚合單體不直接受到射線輻射，*大限度地減少單體的均聚反應。

2.由于射線輻射和接枝共聚合是獨立的兩步反應，研究或者生產單位即使沒有輻射源裝置也能夠從事某些輻射接枝共聚合的研究與較成熟的輻射接枝共聚合工藝的生產。

3.聚合物自由基的利用效率偏低。

經表面處理後聚四氟乙烯(PTFE)表面親水性大大提高，浸潤角為25度。水滴到聚四氟乙烯(PTFE)表面後，*會浸潤整個表面。

將單體與高分子載體置于同一體系中，一起進行輻射*輻射接枝共聚合。單體可以是氣相、溶液或者溶解于其他溶劑中，該法具有以下特點：

1.輻射與接枝共聚反應一步完成，操作簡單，易行。

2.射線輻射產生的活性自由基，一旦生成可立即引發單體的接枝共聚合反應，自由基活性點與輻射能利用效率高。

3.在多數接枝共聚合反應體系中，單體可以作為聚合物基體的保護劑，這對射線輻射下穩定性較差的聚合物基體尤為重要。

4.聚合物基體與單體同時接受輻照，單體的均聚反應嚴重，降低了單體的接枝共聚合效率。中國科學院上海應用物理研究所的鄧波等采用共輻射接枝共聚合方法將聚甲基丙烯酸(MAc)接枝到PES膜表面，發現PES超濾膜表面的水接觸角從75度下降為42度，膜表面的親水性呈現較大提高。