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基于光束缚型引发剂的聚合物材料表面抗污聚合物刷改性
论文 | 更新时间：2021-01-26
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    • 基于光束缚型引发剂的聚合物材料表面抗污聚合物刷改性

    • Surface Modification of Polymeric Materials with Antifouling Polymer Brushes Based on a Photo-fixable Initiator

    • 李翔

      ，  

      王境鸿

      ，  

      唐增超

      ，  

      陈蕊

      ，  

      方菁嶷

      ，  

      李丹

      ，  

      陈红

      ，  
    • 高分子学报   2020年51卷第11期 页码：1248-1256
    • 作者机构：

      1. 苏州大学材料与化学化工学部

      2. 苏州工业园区生物材料表界面工程研究院

      3. 江苏百赛飞生物科技有限公司

      4. 苏州大学卫生与环境技术研究所　苏州 215123

    • 作者简介：

      E-mail: lidan@suda.edu.cn Dan Li, E-mail: lidan@suda.edu.cn

    • DOI：10.11777/j.issn1000-3304.2020.20079    

      中图分类号：

    • 纸质出版日期：2020-9-30，

      网络出版日期：2020-6-24，

      收稿日期：2020-3-20，

      修回日期：2020-4-28，

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  • 引用本文

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  • 李翔, 王境鸿, 唐增超, 陈蕊, 方菁嶷, 李丹, 陈红. 基于光束缚型引发剂的聚合物材料表面抗污聚合物刷改性[J]. 高分子学报, 2020,51(11):1248-1256. DOI： 10.11777/j.issn1000-3304.2020.20079.

    Xiang Li, Jing-hong Wang, Zeng-chao Tang, Rui Chen, Jing-yi Fang, Dan Li, Hong Chen. Surface Modification of Polymeric Materials with Antifouling Polymer Brushes Based on a Photo-fixable Initiator[J]. Acta Polymerica Sinica, 2020,51(11):1248-1256. DOI： 10.11777/j.issn1000-3304.2020.20079.

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    摘要

    表面接枝亲水性聚合物刷是实现生物医用高分子材料表面抗污改性的重要策略，而快速高效且普适性强的引发剂固定方法则是该策略一直追求的目标之一. 为此，本研究设计了一种全新的光束缚型引发剂，并利用其实现了多类型聚合物材料表面多种亲水聚合物刷的接枝. 该引发剂一端为二苯甲酮结构，通过紫外光照射可在5 min内快速固定在各类常见的医用高分子材料表面；另一侧带有双溴引发剂端基，可通过表面引发单电子转移活性自由基聚合(SI SET-LRP)实现高密度聚合物刷的接枝. 利用该方法首先在聚氯乙烯(PVC)表面制备了聚丙烯酸低聚乙二醇酯(OEGA)聚合物刷，同位素125I标记纤维蛋白原(Fg)的吸附结果表明改性表面具有良好的抗蛋白质吸附性能，尤其POEGA聚合时间为2 h的改性表面具有最低的Fg吸附量. 细胞黏附实验显示改性表面可以有效抑制Hela细胞和金黄色葡萄球菌的黏附. 随后验证了该方法的普适性，结果表明该方法不但适用于各类常见的医用高分子基材(聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(PU)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET))，还可以接枝多种亲水性聚合物(聚甲基丙烯酸-2-羟乙酯(PHEMA)、聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)、聚(甲基丙烯酸磺基甜菜碱)(PSBMA))，均可实现优异的表面抗蛋白吸附性能.

    译

    Abstract

    Surface grafting of hydrophilic polymer brushes is an important strategy to endow the biomedical polymer materials with anti-fouling property. Immobilization of initiator is the core procedure of this strategy, which is expected to be fast and versatile. In this study, a new UV-fixable initiator is designed, which is universal for a wide range of polymeric substrates and monomers to polymerize. The initiator contains a benzophenone structure for UV immobilization on various polymeric substrates, and two bromine initiator termini, which have the potent to graft high-density polymer brushes through the single electron transfer living radical polymerization (SET-LRP). The method was first carried out by grafting poly(oligo(ethylene glycol) methyl ether acrylate) (POEGA) brush on the poly(vinyl chloride) (PVC) surface. Fibrinogen (Fg) adsorption results showed that the modified surface has good protein-resistant properties. The POEGA brush with the polymerization time of 2 hours has the lowest amount of Fg adsorption. The results of cell adhesion experiments showed that the modified surface can effectively inhibit the adhesion of Hela cells and Staphylococcus aureus. The universality of the method was further studied on different substrates and using different hydrophilic monomers. It was showed that the UV-fixable initiator can be applied to polydimethylsiloxane (PDMS), polyurethane (PU) and poly(ethylene terephthalate) (PET), and is universal to other hydrophilic monomers such as 2-hydroxyethyl methacrylate (HEMA),N-acrylamide (NIPAAm) and sulfobetaine methacrylate (SBMA). Protein resistant property of these modified surfaces was comparable to that of the PVC-POEGA surface.

    译

    图文摘要

    abstract

    A versatile and efficient photo-fixable initiator was developed for grafting hydrophilic polymer brushes on polymeric material surfaces. The initiator can be immobilized on PVC, PDMS, PU and PET surfaces in 5 min under UV irradiation and can efficiently initiate the polymerization of various hydrophilic monomers through SET-LRP. The as-prepared hydrophilic polymer brushes can resist protein adsorption and cell adhesion to a great extent.

    译

    关键词

    光束缚型引发剂; 亲水性聚合物刷; 抗污表面; 蛋白质吸附

    译

    Keywords

    Photo-fixable initiator; Hydrophilic polymer brush; Antifouling surface; Protein adsorption

    译

    材料的“生物污染”是指材料表面对生物分子、细胞和其他微生物的非特异性黏附，抗生物污染，或抗污，对于医疗器械的安全性和有效性至关重要[

    1]，特别是在应用过程中会直接接触人体组织或体液的植介入医疗器械. 高分子材料是构成植介入医疗器械的重要材料类别，然而未经改性的生物医用高分子材料，例如聚氯乙烯(PVC)、聚氨酯(PU)、硅橡胶和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等，受限于其表面固有的疏水性和高界面自由能，其本身并不具备良好的抗污性能. 大量的临床应用已经发现这些材料在人体内有引发各类不良宿主反应的风险[1,2]. 统计显示美国每年使用超过500万个中心静脉导管，超过15%的患者由于导管不具备抗污性能而引发感染等并发症[3]. 因此，普适高效的生物医用高分子材料表面抗污改性方法一直是植介入医械领域所追求的目标.
    译

    在材料表面接枝亲水性聚合物刷是一种获得广泛认可的实现表面抗污改性的有效手段[

    4,5]. 这些亲水性聚合物包括聚乙二醇(PEG)[6]、聚(N-乙烯吡咯烷酮) (PVP)[7]、聚甲基丙烯酸寡聚乙二醇酯(POEGMA)[8]、聚甲基丙烯酸-2-羟乙酯(PHEMA)[9]、聚甲基噁唑啉[10]、聚β-丝氨酸[11]、聚(甲基丙烯酸磺基甜菜碱)(PSBMA)等[12]. 近年来，表面引发可控活性自由基聚合(SI-CRP)因其优异的可控性而成为制备表面亲水聚合物刷的重要方法 [13~15]. 实现表面引发聚合的首要前提是引发剂的固定. 由于不同种类高分子材料的表面化学组分不同，因此引发剂的固定基团往往需要为每种材料“量身定制”. 例如，Yuan等先后在PU表面引入异氰酸酯、乙二胺和2-溴异丁酰溴才实现溴引发剂的固定[16]；Liu等采用食人鱼溶液处理聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面引入硅烷醇基团，再依次与3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)和氯乙酰氯反应，才实现氯引发剂的固定[7]. 相比于针对某种单一材料的引发剂固定方式，对多种基材普适且简便的引发剂固定法更加理想，因为很多器械产品都是多种材料的组合. 为了实现普适性，一些研究采用表面等离子体处理的方式使材料表面产生大量羟基，随后可以直接固定带有硅烷类基团的引发剂[13,17]. 然而，额外的等离子体处理增加了表面改性的工艺步骤和成本，且一些高分子材料对等离子体不耐受，会影响本体性质. 近年来，受到Messersmith等模拟贻贝黏附蛋白(MAP)开创性工作的启发[8]，多种基于聚多巴胺(PDA)涂层或含多巴胺结构引发剂来实现多种基材上的引发剂固定的方法被广泛用于表面聚合物刷的制备[18~21]. 但是常规的PDA涂层极易氧化变黑，影响材料外观. 另外，未覆盖完全的聚多巴胺层会促进蛋白质的吸附，反而降低了表面的抗污效果.
    译

    夺氢型光引发剂(例如二苯甲酮)可以物理吸附到聚合物材料表面，受到紫外光激发后会从基材中提取氢原子，从而可以在基材表面产生自由基[

    22]. 这样的方法从原理上讲，可以适用于各种聚合物基材，因此有研究利用该方法实现了多种基材上的分子固定，例如，Yu等报道了在PDMS和聚四氟乙烯上，以二苯甲酮基团为锚定基团，通过吸附和光反应，快速实现聚合物的“grafting to”接枝[23]. 为了将这样一种简单普适的分子固定方法用于SI-CRP，本研究通过引入夺氢型二苯甲酮光敏结构，设计了一种全新的光束缚型溴引发剂BPBB，并利用其实现了多种聚合物材料表面抗污聚合物刷的接枝. 该引发剂一端为二苯甲酮结构，通过紫外光照可快速固定在各类常见的医用聚合物材料表面；另一侧带有双溴引发剂端基，可通过表面引发单电子转移活性自由基聚合(SI SET-LRP)实现高密度聚合物刷的接枝. 首先，以PVC上接枝POEGA作为代表体系，证明了该方法的可行性以及所构建表面优异的抗污性能. 随后，进一步验证了该方法在多种常见的医用聚合物材料表面(PDMS、PU、PET)的普适性，以及对多种亲水性的单体(HEMA、NIPAAm、SBMA)的通用性. 这种普适、简单、高效的引发剂固定方法对于生物医用高分子材料表面抗污改性(包括抗蛋白吸附、抗菌[24]、抗黏附等)提供了新的且更具优势的途径，具有广阔的应用前景.
    译

    1 实验部分

    1.1 主要原料

    4-羟基二苯甲酮、1-溴-3-氯丙烷、二乙醇胺、三(2-二甲氨基乙基)胺(Me6TREN)、OEGA (Mn = 480)、HEMA、NIPAAm、SBMA购自Sigma-Aldrich；溴化亚铜(≥ 97%)购自Merck，通过用乙酸搅拌后，甲醇洗涤，然后在真空下干燥过夜来纯化；4,6-二氨基-2-苯基吲哚(DAPI)和 SYTO 9 绿色荧光核酸染料购自Invitrogen；Na125 I购自成都高通同位素公司(中国核集团)；2-溴异丁酰溴(BIBB，98%)、三乙胺(TEA)和所有其他溶剂购自国药集团化学试剂有限公司(中国上海)，并通过标准方法纯化；纤维蛋白原(Fg, 不含纤溶酶原)购自Calbiochem(加利福尼亚州拉霍拉)；Hela细胞、金黄色葡萄球菌(S. aureus)购自中国典型培养物保藏中心；实验用水为Milli-Q水净化系统(Millipore，美国马萨诸塞州贝德福德)制备的18.2 MΩ·cm净化水；聚二甲基硅氧烷(PDMS)原材料为Sylgard 184(道康宁公司，美国密歇根州密德兰)；聚氯乙烯(PVC)树脂购自Kaneka Company (PSH24，日本)、聚氨酯(PU)购自Thermedics (美国马萨诸塞州威尔明顿)，膜片按照文献[

    25]描述的方法制备；聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜购自飞霞工厂(中国上海).
    译

    1.2 引发剂的合成

    1.2.1 4-(3-(双(2-羟乙基)氨基)丙氧基)二苯甲酮的合成

    将4-羟基二苯甲酮(40 g，201 mmol)和无水碳酸钾(30 g，222 mmol)溶于200 mL 4-甲基-2-戊酮，升温至80 °C反应30 min，然后加入1-溴-3-氯丙烷(38 g，242 mmol)，回流反应4 h. 趁热过滤反应溶液，收集滤液并加入二乙醇胺(73.6 g，700 mmol)和碘化钠(3 g，20 mmol)，之后将混合物加热直至回流，并反应24 h. 反应完毕冷却至室温，依次用去离子水，HCl (1 mol/L)和NaOH溶液(pH = 12)洗涤，有机相用无水硫酸镁干燥，旋蒸溶剂，粗产物通过硅胶层析柱(V(正己烷):V(乙酸乙酯) = 4:1)分离纯化，得到4-(3-(双(2-羟乙基)氨基)丙氧基)二苯甲酮(产率85%).

    译

    1.2.2 光束缚型引发剂((3-(4-苯甲酰基苯氧基)丙基)氮杂二基)双(乙烷-2,1-二基)双(2-溴-2-甲基丙酸酯)(BPBB)的合成

    取4-(3-(双(2-羟乙基)氨基)丙氧基)二苯甲酮(3.432 g, 10 mmol)和三乙胺(3.035 g, 30 mmol)溶于80 mL干燥的二氯甲烷(DCM)并置于冰水浴中. 通过恒压滴液漏斗向其中缓慢滴加BIBB (5.747 g, 25 mmol)和20 mL二氯甲烷的混合物. 滴加完毕，搅拌反应过夜. 反应结束后，过滤并依次用饱和碳酸氢钠溶液和饱和食盐水洗涤滤液. 有机相用无水氯化钙干燥. 除去溶剂后，经硅胶层析柱(V(正己烷):V(乙酸乙酯) = 6:1)分离得到最终产物BPBB. 以氘代氯仿溶解样品，通过1H-NMR谱分析引发剂的结构组成(Varian Mercury-400 MHz核磁共振谱仪，瓦里安，美国).

    译

    1.3 聚合物刷表面的制备

    1.3.1 引发剂在材料表面的光固定

    将清洗干净的PVC、PU、PET、PDMS膜片浸入BPBB的乙酸乙酯溶液(10 wt%)中，静置2 min后取出，依次用乙醇和和去离子水彻底冲洗并用氮气吹干. 将样品置于紫外光源(GY250无影胶固化灯，北京天脉恒辉光源电器有限公司，波长365 nm，光强为70 mW/cm2) 5 cm处，照射5 min，然后用甲醇清洗样品表面，氮气吹干后得到固定引发剂的膜片表面(PVC-Br、PU-Br、PET-Br、PDMS-Br).

    译

    1.3.2 聚合物刷的接枝

    将Me6TREN (5 μL，0.019 mmol)、OEGA (1 g，~ 2 mmol)和6 mL去离子水加入反应瓶并置于0 °C的冰浴中. 向混合溶液中通入氮气，10 min后加入CuBr (2.7 mg，0.019 mmol)，继续氮气鼓吹20 min，以确保单体和铜-配体络合物在水中的溶解. 随后在氮气气氛下，将固定了引发剂的膜片放入混合溶液中，在冰浴中搅拌反应一定时间. 聚合结束后，取出膜片并用去离子水彻底洗涤，干燥后得到POEGA修饰的表面(PU-POEGA、PET-POEGA、PDMS-POEGA、PVC-POEGA). 保持所有反应条件一致，按上述相同程序，将甲基丙烯酸-2-羟乙酯(HEMA)，N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)，甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱(SBMA)不同单体分子在PVC-Br表面进行单电子转移自由基聚合，得到不同亲水聚合物修饰的表面(PVC-PHEMA、PVC-PNIPAAm、PVC-PSBMA). 如无特别说明，所述聚合时间为4 h.

    译

    1.4 材料表面性能表征

    通过X射线光电子能谱(XPS，VG Scientific Ltd.，英国)分析材料表面的化学组成；室温下通过停滴法测量静态水接触角(SL200C接触角测量仪，KINO工业公司，美国)，去离子水(MilliQ水)液滴的体积为2 μL；通过原子力显微镜(DI Nanoscope IV AFM，Vecco，美国)和NanoScope Analysis软件分析材料表面形貌及粗糙度，通过轻敲模式研究了干燥状态下的表面形貌，表面的粗糙度用算术平均粗糙度Ra及均方根粗糙度Rq来描述.

    译

    1.5 同位素标记蛋白质吸附测试

    材料表面的蛋白质吸附测试以纤维蛋白原为研究对象，采用ICl法将同位素125I标记到蛋白质上[

    26]. 将标记的蛋白质与未标记的蛋白质以1:19的比例混合(总浓度1 mg /mL)作为吸附液. 在吸附实验之前，将样品在PBS (pH = 7.4)中浸泡平衡12 h，然后转至250 µL上述蛋白质吸附液中，放置吸附3 h. 吸附完毕，PBS (pH = 7.4)浸洗3次(每次10 min). 最后使用伽玛计数仪(Wizard 3''2480全自动伽玛计数仪，PerkinElmer Life Sciences)测定膜片的放射量. 通过对特定体积吸附液的放射量测定，获得单位放射量对应的纤维蛋白原质量，最后可换算出膜片上的纤维蛋白原吸附量，以微克每平方厘米(μg/cm2)表示.
    译

    1.6 细胞黏附测试

    将Hela细胞以2 × 104 cells/cm2的细胞密度接种在灭菌的样品表面上，并在5% CO2、37 °C下培养4 h，4%多聚甲醛固定贴壁细胞10 min. 样品用0.1% Triton X-100处理5 min，PBS洗涤3次，然后在黑暗中与DAPI孵育10 min. 使用荧光显微镜(Olympus IX71 Carl Zeiss，德国)观察染色的细胞. 使用金黄色葡萄球菌(S. aureus)评估材料表面的抗微生物黏附性能. 将样品放置在24孔板的孔的底部，加入500 µL细菌悬液(pH = 7.1 × 107 cells/mL)，37 °C下静置孵育2 h. 然后将它们用无菌水轻轻冲洗，以除去表面松散附着的细菌和盐. 在表面滴加50 µL SYTO 9染色溶液(6.68 × 10−3 mol/L)，黑暗中孵育15 min后，用无菌水轻轻冲洗表面，并在干燥氮气流下干燥. 使用荧光显微镜观察附着在表面上的细菌，并捕获10个随机选择的视野的图像. 每种类型的表面进行3次重复试验.

    译

    2 结果与讨论

    2.1 光束缚型引发剂的合成

    为了实现一种普遍适用于各类医用聚合物材料的表面聚合物刷接枝方案，本研究合成了一种全新光束缚型引发剂BPBB. 该引发剂由于含有夺氢型二苯甲酮光敏结构，因此可以在指定波长的紫外光照射下快速固定在多种聚合物基材表面；又因为含有双溴引发剂端基，所以能够高效引发SET-LRP聚合. 其结构图和合成路线如图1所示：光敏剂羟基二苯甲酮首先与1-溴-3-氯丙烷发生取代反应，端位氯原子能够与二乙醇胺反应引入重要的双支链结构. 支链末端的羟基与2-溴异丁酰溴反应从而引入引发剂基团. 需要指出的是，双端引发剂相比常规的单端引发剂，具有更高的引发效率和聚合物接枝密度. 此外，引发剂中的叔胺基团能够作为给电子基团，提升二苯甲酮的接枝速率，加快引发剂的固定化. BPBB的核磁谱图如图2所示，化学位移特征峰的归属为：1.26 (2H, CH2―),1.91 (12H，(CH3)2―C―))，2.81 (2H, CH2―N―)，2.90 (4H，CH2―N―)，4.12 (2H，CH2―O―)，4.26 (4H，CH2―O―)，6.95 ~ 7.82 (9H，Ar―H). 通过特征峰和氢原子比的计算表明BPBB的成功合成.

    译

    fig

      

    Fig 1  Synthetic route of BPBB

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    Fig 2  1H-NMR spectrum of BPBB in CDCl3

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    2.2 PVC-POEGA表面的制备与表征

    PVC是重要的生物医用材料，已被广泛地应用于各类医用导管，包括输血输液器具、血液透析和体外循环管路等. 在这些应用中，基材表面需要有良好的抗污能力. 本研究首先选用PVC作为代表性示例，验证新型引发剂制备亲水聚合物刷的可行性以及抗污性能. 如图3所示，通过紫外光照，BPBB结构中的二苯甲酮能够从聚合物主链提取氢原子，形成稳定的自由基从而促进BPBB在PVC表面的快速固定. 然后，利用表面暴露的双端引发剂进而实现OEGA单体的SET-LRP聚合.

    译

    fig

      

    Fig 3  Surface grafting of POEGA brush

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    通过水接触角测试表征了修饰前后的PVC表面浸润性变化. 如图4(a)所示，未改性的PVC表面水接触角超过了80°，表现出偏疏水的性质. 引发剂固定后，并未显著影响表面的浸润性. 而在接枝POEGA聚合物刷之后，水接触角出现了显著的下降(20°)，间接证明了亲水性POEGA的成功接枝.

    译

    fig

      

    Fig 4  (a) Static water contact angles (Data are the mean ± SD, n = 3) and (b) XPS spectra of PVC, PVC-Br, and PVC-POEGA surfaces (Inset: enlarged XPS spectra of Br3d region)

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    对改性各阶段PVC表面的XPS元素分析可以提供更直接的证据. 如图4(b)，与PVC表面相比，PVC-Br和PVC-POEGA表面的光谱显示出400 eV处新增的N1s信号以及68.5 eV处新增的Br3d弱信号，表明引发剂已经被共价束缚在PVC表面. 而接枝POEGA之后，PVC和PVC-Br在199.9 eV的Cl2p信号的特征峰几乎消失，可以预料具有一定厚度的POEGA层均匀致密地覆盖了PVC表面.

    译

    通过AFM表征了修饰前后的PVC表面形貌及粗糙度变化. 如图5所示，其中未经修饰的PVC表面相对较为平整，测得的粗糙度Ra为3.71 nm；随着引发剂的引入和POEGA的接枝，表面的粗糙度明显增加；OEGA接枝聚合4 h后，PVC表面Ra增加到18.22 nm，这一结果同样可以证明POEGA聚合物刷的形成.

    译

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    Fig 5  AFM height images of the surfaces: (a) PVC, (b) PVC-Br, (c) PVC-POEGA; (d) The surface roughness calculated from five atomic force microscopy (AFM) images (5 μm × 5 μm) (Data are the mean ± SD, n = 3.)

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    2.3 PVC-POEGA表面的抗污性能

    表面抗污性能是绝大多数植介入医疗器械的最基本的要求，特别是血液接触材料. 人体血液中含有数百种血浆蛋白质，材料表面一旦与血液接触，则会迅速吸附各类血浆蛋白质，进而引发血小板黏附与激活、凝血反应、补体激活、白细胞黏附等一系列不良宿主反应[

    27]. 异体材料在其他系统引发的宿主反应也都是从蛋白质吸附开始的. 由此可见，材料表面抗蛋白质吸附能力是评价其抗污性能的重要指标之一. 本研究选用血液中形成血栓的核心蛋白质，同时也是一种高黏附性蛋白质—纤维蛋白原(Fg)来评价POEGA聚合物刷表面的抗蛋白质吸附性能. 此外，由于亲水性聚合物刷厚度对蛋白质吸附性能也有一定影响，因此，本研究利用SET-LRP可控聚合的优势，通过调控聚合时间(1 h、2 h、3 h、4 h)获得了一系列理论上具有不同聚合物刷厚度的表面.
    译

    如图6所示，Fg吸附3 h后，未经修饰的PVC基材对Fg吸附量高达0.929 μg/cm2，表明PVC材料具有较强的疏水性和较高的界面自由能，易发生蛋白质吸附从而具有引发不良宿主反应的较大风险. 固定了BPBB的PVC表面对Fg的吸附量依旧很高，主要由于其较强的疏水性. 而接枝了POEGA之后，表面对Fg的吸附量显著下降，表明POEGA优异的抗蛋白吸附性能，同时也证实了聚合物刷层对基材良好的覆盖性. 对于通过不同聚合时间获得的几种聚合物刷表面，Fg吸附量存在一定差异，推测是聚合物刷厚度不同所导致. 聚合物基材表面接枝聚合物刷，很难直接测量接枝层的厚度，但过去大量研究数据表明[

    28,29]，利用SET-LRP制备表面聚合物刷，往往聚合时间在数小时内具有聚合物刷厚度随聚合时间线性增加，而达到一定时间后厚度不再增长的普遍规律，因此下述对于Fg吸附量和聚合物刷厚度之间关联的相关讨论是基于本研究涉及的SET-LRP同样遵循这一规律而建立的. 在本研究中，当聚合时间从1 h延长到2 h时，Fg吸附量进一步下降(0.074 μg/cm2)，而随着聚合时间进一步延长，Fg吸附量反而有所上升，聚合时间为3和4 h的表面，Fg吸附量无显著差异. 这一结果表明聚合物刷的抗蛋白吸附性能与亲水性聚合物刷厚度之间存在相关性，聚合物刷太薄或太厚都不利于对蛋白质的排斥. 较短的聚合物刷可能无法形成足够致密的涂层，不足以抵抗蛋白质的吸附；而较长的聚合物刷可能会自缠结并削弱表面水合作用，同样会降低蛋白质排斥性[30]. 因此对于POEGA聚合物刷存在一个最佳的抗蛋白吸附厚度范围，与之前文献报道的趋势相一致[31]. 上述研究结果表明，新型引发剂BPBB修饰的PVC表面能够有效实现抗蛋白吸附的POEGA聚合物刷接枝，聚合2 h即可达到最佳抗蛋白吸附效果.
    译

    fig

      

    Fig 6  Fibrinogen (Fg) adsorption of on PVC, PVC-Br, and PVC-POEGA surfaces prepared using different polymerization time (Data are the mean ± SD, n = 3.)

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    除了对抗蛋白吸附性能的要求以外，抗污表面往往还要求表面具有抗细胞和细菌黏附的性能，从而在特定的应用中赋予材料抗菌、抗黏连、抗感染等相关功能. 因此我们研究了PVC-POEGA表面对Hela细胞和金黄葡萄球菌(S. aureus)的黏附行为. 如图7所示，未修饰的PVC表面可以观察到大量蓝色荧光染色的Hela细胞和绿色荧光染色的金黄色葡萄球菌，说明对细胞和细菌均具有较强的黏附性. 而在PVC-POEGA表面，几乎观察不到任何细胞和细菌的黏附. 细胞和细菌的黏附通常依赖于其分泌的黏附蛋白. 因此，受益于PVC-POEGA表面优异的抗蛋白吸附性能，其同样可以实现对细胞和细菌良好的抗黏附效果.

    译

    fig

      

    Fig 7  Fluorescent and optical images of stained Hela cells (DAPI; blue) and S. aureus (SYTO 9; Green) on PVC, PVC- POEGA

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    2.4 改性策略的普适性研究

    本研究设计的光束缚型引发剂除了可以简单高效地固定在表面以外，其另一个重要的优势在于，从原理上讲，其可以普适于几乎所有种类的聚合物基材. 为了证实这一点，我们选用了植介入医疗器械最常见的几种代表性医用高分子材料：聚二甲基硅氧烷弹性体(PDMS)、聚氨酯(PU)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，采用同样的方式依次进行BPBB的光固定和POEGA聚合物刷接枝，并测试表面浸润性变化及抗蛋白质吸附性能.

    译

    如图8(a)，所选用的几种聚合物基材都是偏疏水的，水接触角大于75°，特别是PDMS，水接触角达到100°以上. 改性后材料表面水接触角均出现大幅度度降低，普遍达到30°以下，间接反映出POEGA接枝成功.

    译

    fig

      

    Fig 8  (a) Static water contact angles (Data are the mean ± SD, n = 3.) and (b) adsorption of fibrinogen (Fg) on different polymer surfaces (Data are the mean ± SD, n = 3.)

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    如图8(b)，在修饰前，所有种类基材上都吸附了大量Fg，且各种基材上的吸附量趋势与其水接触角的趋势类似，说明材料的疏水性是导致Fg吸附的主要驱动力. 而当修饰了POEGA聚合物刷后，这些基材的表面对Fg的吸附量大大减少，各种基材上吸附量的相对趋势也与亲水性一致，说明聚合物刷的亲水性与抗蛋白质吸附性能之间的密切关系. 上述结果表明，BPBB这一新型引发剂可以在多种基材上实现快速光固定，进而有效引发聚合，获得具有良好抗蛋白吸附性能的聚合物刷表面.

    译

    除了POEGA以外，还有很多其他亲水性聚合物也被证实具有良好的抗蛋白质吸附性能. 为了证实本研究中固定了光束缚引发剂的表面能够适用于多种亲水聚合物的单体，我们还验证了HEMA、NIPAAm以及两性离子单体SBMA 在固定了光束缚引发剂的表面接枝聚合后的抗蛋白质吸附性能. 如图9所示，相比于未改性的PVC表面，每种亲水聚合物刷表面的Fg吸附量都显著下降，其中，PVC-PNIPAAm和PVC-PSBMA表面的蛋白质吸附量都低于0. 07 μg/cm2. PNIPAAm结构中含有亲水的酰胺基团，在低于其临界溶解温度的室温下，PNIPAAm可以通过氢键较好的结合水分子，在膜表面形成水化层，从而提高材料的抗蛋白质吸附性能. 同样地，PVC-SBMA表面的两性离子聚合物刷本身独特的阳离子和阴离子基团结合的分子结构，使其具有完全的电荷中性和高亲水性，进而表现出最优的抗蛋白吸附效果. 类似的研究同样表明[

    32~34]，两性离子聚合物在蛋白吸附方面可与PEG基亲水聚合物和聚电解质基聚合物相媲美甚至更好. 这些结果表明，基于二苯甲酮衍生物的引发分子的表面光接枝/聚合具有极强的通用性和稳固性，因此这种方案在创建应用于生物技术领域的聚合物基材抗污表面时预计将会非常有用.
    译

    fig

      

    Fig 9  Adsorption of fibrinogen (Fg) on PVC, PVC-PHEMA, PVC-PNIPAAm, PVC-SBMA and PVC-POEGA surfaces (Date are the mean ± SD, n = 3.)

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    3 结论

    本研究主要设计了一种普适高效的光束缚型溴引发剂，用于各类聚合物基材表面接枝亲水性抗污聚合物刷. 引发剂由于含有夺氢型二苯甲酮结构，因此能够通过光反应，快速固定在各类聚合物基材表面，并引发SET-LRP聚合. 研究结果表明，通过该方法制备的POEGA聚合物刷修饰的PVC表面能够有效排斥纤维蛋白原吸附、Hela细胞和金黄色葡萄球菌的黏附. 此外，采用同样的方法，在其他常见的医用高分子PDMS、PU和PET表面，或接枝不同的亲水聚合物刷(PHEMA、PNIPAAm和PSBMA)，均可以获得良好的抗蛋白质吸附效果. 这些结果说明，这种新型光束缚引发剂不但能有效引发SET-LRP聚合，而且简单快速、适用范围广，在生物医用高分子材料表面抗污改性方面具有广阔的应用前景.

    译

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