辐射技术在医学高分子材料中的应用研究(上)

       为了引导近年来，面向现代生物药、临床学、组织工程、仿生器官的巨大应用需求，生物用材料已经成为当今材料科学发展的*重要热点之一。为了满足日益发展的生物用材料的多样性需要，基于其应用的内在特点，高效、低残毒、清洁方便的反应与相关制备法受到极大的关注。

       与传统的高分子化学制备方法相比，辐射法制备改性用材料的优点在于：
           1.不需要添加剂，没有引发剂残留，可以得到清洁、安全的接枝共聚物，保证材料的纯净性。
           2.辐射接枝操作简单易行，可以在常温或者低温下进行，并可以通过调整射线辐照剂量、剂量率、接枝聚合单体浓度和基材溶胀的深度控制反应程度。
           3.辐射过程对材料也是一个消毒过程，避免了其他消毒方法对制品的破坏。

改善学材料表面生物相容性
       生物相容性是贯穿生物材料研究的一大主题。国际标准化组织ISO制定了用材料的生物相容性评价指导原则以及标准实验方法的国际标准，中国在上世纪70年代也开始了生物相容性研究以及评价方法的标准化。生物相容性是生物材料与人体之间的相互作用从而产生的物理、化学、生物反应的概念。

       生物相容性包括组织相容性(Tissue compatibility)和血液相容性（Blood compatibility）。

       组织相容性是指材料与活体组织之间相互包容的程度，包括材料在生理条件下的老化，以及由于材料的存在而产生的生物学反应，除了全身毒性外，更多的是材料周围组织的局部反应，如炎症、免疫、诱变以及癌症。材料表面与蛋白质等生物大分子及细胞之间的相互作用是产生组织生物学反应的根本原因。

       例如，矽胶植入人体後会产生纤维囊壁痉挛，这主要是由于矽胶材料表面的疏水性，使其不具备人体组织的水凝胶结构。在矽胶表面共辐射接枝亲水性单体N-乙酰烯基吡咯烷酮并植入人体後，矽胶表面形成一层稳定的水凝胶，大大降低了组织对矽胶的异物反应，增加了其生物相容性。

       血液相容性是生物用材料的一个十分重要的性质。理解血液相容性是研究血液相接触性材料的一项非常重要的内容。血管内壁是一层生物膜，该膜含有磷脂、固醇、糖鞘脂，其中磷脂和糖鞘脂含有两条烃链，能够组装成脂双层；脂双层的存在赋予了血管内壁的生理功能。外源用材料不同于血管，它不能产生并释放抑制因子，从而促使凝血因子失活，必然不能避免血栓的生产。

       生物材料的抗凝血性是由其表面与血液接触後所形成的蛋白质吸附层的组成与结构所决定的。而吸附层的组成与机构又取决于材料表面的化学结构与形态。因此，如果控制了蛋白质吸附层的组成与构象，也*决定了材料的血液相容性。当材料表面吸附层主要为球蛋白与纤维蛋白时，将激活凝血因子与血小板，导致级联反应而形成血栓，而当蛋白吸附层为白蛋白，植入物表面会出现白蛋白钝化，从而阻止凝血的发生。用Υ射线辐照技术能使植入物表面与白蛋白之间以共价方式结合，从而降低血小板的粘附量。

       引起血栓的另一个重要因素是材料表面的物理化学特性以及血小板的活跃程度。常见的材料表面肝素化有明显的抗凝血与抗血栓功能，是由于肝素能作用于凝血酶，从而抑制纤维蛋白原向纤维蛋白的转变，*终达到抗凝血目的。如应用有机高分子功能材料制备的血液透析膜已经广泛应用于血液过滤、分离，其中由天然高分子纤维素制成的透析膜在范围内占85%的份额。为了提高其血液相容性，通过辐射接枝共聚的方法在纤维素血液透析膜的表面引进新的亲水性基团，并进一步接枝抗凝血剂，可以大大提高透析膜的生物相容性。

       聚四氟乙烯(PTFE)塑胶板浸润性很差，滴上的水滴成球形，可以在板面上滚动，浸润角达135度。

提高用材料表面亲水性

       用高分子材料往往具有疏水性基团，材料的疏水性容易引起材料对蛋白质的吸附，从而引起血栓，因此，生物材料的表面改性需要提高材料的亲水性。辐射技术能将亲水性分子接枝到疏水性高分子材料表面，从而使其接触角下降，提高材料表面的湿润性。

       早在上世纪50年代，人们*发现，可以用辐射引发高聚物进行接枝反应。聚合物经辐射接枝後，可明显改善材料的表面状态。根据辐射与接枝共聚合反应的实施方法差异，可大体分为预辐射接枝共聚合法和共辐射接枝共聚合法。

预辐射接枝共聚合

       预辐射接枝共聚合是高分子材料先深度辐照，产生稳定的自由基，或者先在空气中辐照生成稳定的过氧化物或者氢化物，然後在辐射场外使被辐照聚合物与单体溶液接触，进行接枝反应。

       该方法的特点是射线辐射与接枝共聚合反应分开两步进行，具有下列特点：
           1.接枝共聚合单体不直接受到射线辐射，*大限度地减少单体的均聚反应。
           2.由于射线辐射和接枝共聚合是独立的两步反应，研究或者生产单位即使没有辐射源装置也能够从事某些辐射接枝共聚合的研究与较成熟的辐射接枝共聚合工艺的生产。
           3.聚合物自由基的利用效率偏低。

       将单体与高分子载体置于同一体系中，一起进行辐射*辐射接枝共聚合。单体可以是气相、溶液或者溶解于其他溶剂中，该法具有以下特点：
           1.辐射与接枝共聚反应一步完成，操作简单，易行。
           2.射线辐射产生的活性自由基，一旦生成可立即引发单体的接枝共聚合反应，自由基活性点与辐射能利用效率高。
           3.在多数接枝共聚合反应体系中，单体可以作为聚合物基体的保护剂，这对射线辐射下稳定性较差的聚合物基体尤为重要。
           4.聚合物基体与单体同时接受辐照，单体的均聚反应严重，降低了单体的接枝共聚合效率。中国科学院上海应用物理研究所的邓波等采用共辐射接枝共聚合方法将聚甲基丙烯酸(MAc)接枝到PES膜表面，发现PES超滤膜表面的水接触角从75度下降为42度，膜表面的亲水性呈现较大提高。