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1、高分子材料的生物相容性与界面现象摘 要:用界面基本理论阐明生物体与高分子材料接触时的界面现象,并研究界面热力学参数与材料生物相容性之间的内在联系及规律性,这是研制生物相容性,特别是血液相容性生物医用高分子材料的重要依据。本文是学习后就此领域的基本理论、主要方法作了大概介绍和述评。关键词:界面现象 高分子材料 生物相容性 血液相容性 临界表面张力随着人工器官的研制与临床应用，高分子材料在医学领域的应用日益广泛。但是由于生物体自身具有排斥异物和维持自己再生的能力,而合成高分子材料不具备这种生命力 ,因此研制出真正生物相容性材料的领域有待拓宽。据了解，阐明生物体与高分子材料接触时的界面现象 ,研究界
2、面现象与材料生物相容性之间的内在联系及规律性 ,这是研制生物相容性 ,特别是血液相容性生物医用高分子材料的重要依据。一、界面现象在血液相容性中的重要性血小板具有凝血作用 ,这是生物体非常巧妙的 自身防卫反应。但是 ,这对高分子材料的应用带来很大困难 ,因为 当血液与高分子材料接触时 ,血液会在材料表面凝固并形成血栓。从界面化学看来 ,血栓的形成与血液和高分子材料之间的相互作用有关。因此 ,高分子材料的表面张力 ,与血液间的界面张力 ,高分子材料对蛋白质的选择吸附能力 ,蛋白质分子在材料表面的定向排列及变形状况等 ,都直接反映了材料的血液相容性。因此 ,研究材料这些表面热力学参数与血液相容性之间
3、的关系可为研制抗凝血材料提供必要的理论依据。1材料的临界表面张力rc当一小液滴处于高分子材料表面并达平衡时 ,由Young方程知 rSG=rSL+rLGcos式中为接触角；rSG 、rSL、rLG分别为材料的表面张力 、固一液界面张力和液体的表面张力。对于低能高分子材料 , Zisman研究发现 , cos以对液体表面张力作图 ,可得一直线。将直线延长至cos=1所对应的表面张力,Zisman称之为材料的临界表面张力 ,用rc表示。研究表明 ,高分子材料的临界表面张力在形成血栓过程中起着重要作用。相关文献表明 ,临界表面张力rc处于20一30mN/m的高分子材料 ,其血液相容性较好。因此 ,选
4、择合适的高分子材料 ,或对已有的材料进行表面改性 ,可以显著改善其血液相容性。2.材料的界面能量由于血液的大部分是水,因此,也可以从界面能量角度探讨高分子材料的血液相容性。研究表明,血液与高分子材料之间的界面自由能越小,材料的血液相容性越好。当高分子材料与血液接触时,形成新的血浆一高分子材料界面,血液中的蛋白质立刻在此固一液界面上吸附。被吸附蛋白质的形状将由界面自由能的大小决定。如果界面自由能较高,则界面具有自动吸附溶质,以使其降低的倾向。由于自由能变化大 ,致使蛋色质构象变化也大,并最终导致血栓形成相反,如果血浆一高分子材料界面自由能较低,则吸附的热力学推动力较小,血浆蛋白吸附时,其构象仅发
5、生微小变化如果血浆一高分子材料界面自由能很低，则血液中的蛋白质在界面不发生明显的吸附作用,因而血液成分受固体表面存在的影响很小,这种高分子材料具有很好的血液相容性。研究表明,血细胞与血浆具有高度的相容性,而血细胞与血浆之间又存在一定的界面张力。这一事实告诉我们,一个好的生物相容性材料,其界面自由能虽应很低,但也不能等于零,一般在1x10-3一3x10-3J/m2,左右最好。由上述可以看出,高分子材料的表面性质强烈地影响着材料的血液相容性。因此,界面化学理论在设计和研究抗血栓材料时具有重要的指导意义。通过表面修饰改善高分子材料的血液相容性,这是医用离分子材料目前最活跃的研究领域。二、改善材料生物
6、相容性的界面化学方法改善高分子材料生物相容性,特别是血液相容性的途径主要是通过改变材料一的表面性质实现的。其主要方法有以下几种；1.改变材料表面的亲水性能该法是通过物理化学方法改变高分子材料表面的亲水性。因为研究表明,具有强疏水性和强亲水性表面的材料一般都具有较好的血液相容性。当高分子材料的疏水性增强时,由于对血液成分的吸附能力下降而具有较好的血液相容性,聚四氟乙烯等就是如此。他们的疏水性很强,而血液相容性也很好。因此,增强高分子材料的疏水性是研制生物医用高分子材料的方法之一。与此相反的途径是制备具有亲水性表面,特别是高含水量的高分子材料。这类生物材料表面性能与血液相近,具有较低的界面能量,所
7、以血液相容性较好。现在研制的这类材料有聚甲基丙烯酸经乙醋、聚丙烯酸胺、聚乙烯毗咯烷酮等。其缺点是机械强度较差,因此,通常将它们涂布或接枝到某些机械强度较高的材料表面上,使其既具有抗凝血性,又保持了相当的机械强度和加工成型性能。这样制得的高分子材料与血液接触后表面发生溶胀,形成水凝胶,血小板在其表面的粘附性能大大下降,因而血液相容性较好。2材料表面引人生物活性物质该法是利用生物化学手段将材料表面固化某些能干扰血液与表面相互作用的生物活性物质，以改善其血液相容性。自从将肝素离子结合于高分子材料表面制得血液相容性材料以来,这方面的研究获得很大的发展。肝素具有很强的抗凝血作用。将强阴离子特性的肝素与具
8、有阳离子表面的高分子材料进行离子结合,制成肝素化的亲水性高分子材料。与血液接触时,材料表面的肝素可以持续地释放出来,起到抗凝血作用。在肝素释放过程中,材料表面附近的浓度相当高,至少可以在几天内防止血栓形成,此后释放速度逐渐降低。这样制得的高分子材料仅适用于短期装置应用,不能用作长期置人器官。如果将肝素共价结合于高分子材料表面,则可以制成耐久性抗凝血材料。肝素共价结合于高分子材料表面,可以通过简便的化学反应来进行。它既不损害高分子材料的机械性能,又能使肝素在表面牢固地结合。例如,肝素与纤维素类高分子材料共价结合,可以制成抗凝血材料。其方法是先用高碘酸处理纤维素,然后将断链的纤维素与肝素反应,肝素即共价结合于其表面上。另外,也可以先将高分子材料表面季铵化,这时季铵基团与高分子材料表面共价连接,使肝素在表面结合后稳定性增加。三、结论从以上论述可以看出 ,高分子材料在生物领域内运用前景正愈来愈被人们所了解和重视，改善高分子材料的界面生物相容性也正在吸引一大批学者研究，而这些年，这方面的研究也获得很大的发展。材料生物相容性是一跨学科研究课题，它涉及材料科学、生物学等多方面知识。随着科技研究的不断发展，相信许多性能优良的生物相容性医用高分子材料将逐步进入生活。
