表面结构可控聚烯烃材料的制备及其与蛋白质的相互作用机制

Thrombus formation and hemolysis are the two major complications affecting the application of polyolefin in blood-contacting medical devices. Polyolefin is limited to be used as medical polymer materials due to its poor bloodcompatibility. Grafting molecules with good bloodcompatibility such as poly (ethylene glycol) (PEG) and albumin onto polyolefin is an effective, economic and applicable way to prepare bloodcompatible polyolefin materials. Protein adsorption behavior is a key factor that determines whether the materials can be used as medical polymer materials. In this project, surface-initiated atom transfer radical polymerization (SI-ATRP) is used to fabricate polyolefin surfaces with well-defined structure, controlled molecular weight. Quartz crystal microbalance with dissipation (QCM-D)and dual polarization interferometry (DPI) are combined to study the interaction mechanism between protein and material and protein adsorption dynamics. The purpose is to reveal the effect of chemical composition, graft length and density, surface morphology and structure on the protein and its adsorption behavior, give insight into the material composition and structure dependence of protein conformation during its adsorption, establish the quantitative relation between protein adsorption and surface molecular structures, fabricate high performance polyolefin materials with good anticoagulation and anti-hemolysis via optimizing the material structure.

抗凝血性和抗溶血性是解决材料血液相容性的两个基本问题，其核心问题是蛋白质与材料的相互作用机制。接枝聚乙二醇（PEG）和以此为阻隔基接枝白蛋白是制备医用聚烯烃材料有效、经济、可行的方法之一。本项目主要针对聚烯烃作为血液贮存材料时存在的问题，利用表面引发原子转移自由基聚合(SI-ATRP)的方法构建结构精确可控的表面，制备具有血液相容性的高性能聚烯烃材料。同时应用石英晶体微天平（QCM-D）、双偏振极化干涉（DPI）相结合的方法，重点研究结构可控的聚烯烃表面与蛋白质的相互作用机制及吸附动力学，揭示材料的化学组成、接枝密度和长度、表面形态结构等对蛋白质的作用及吸附行为的影响，给出蛋白质构象在吸附过程中的变化及其对材料组成和结构的依赖规律，建立表面结构、蛋白质吸附和血液相容性三者之间的定量关系。在此基础上进一步制备出高性能血液相容性聚烯烃材料。

本项目主要从抗凝血性和抗溶血性两个方面来解决聚烯烃材料的血液相容性问题，同时对其核心问题蛋白质吸附问题进行理论研究。具体结论如下。.1.通过表面引发原子转移自由基聚合(SI-ATRP)的方法，在聚丙烯表面接枝聚(乙二醇)甲基丙烯酸酯(PEGMA)和甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)，进一步通过活化GMA环氧基团，来固定牛血清白蛋白(BSA)。本工作为制备抵抗蛋白质及血细胞粘附聚丙烯材料提供了制备方法与研究思路。.2.在聚丙烯表面共接枝温敏性单体N-异丙基丙烯酰胺（NIPAAm）和阳离子单体N-（3-氨丙基）甲基丙烯酰胺盐酸盐（APMA），从而在聚丙烯表面上负载维生素E衍生物TPGS。本工作首次利用负载缓释抗氧化药物TPGS的方法降低红细胞溶血，提供了一种取代PVC血袋材料的思路和方法，并且对TPGS与红细胞的相互作用机理进行了研究，为“远程调控”材料表面与血液中不同成分之间相互作用提供了研究思路。并在此基础上发明了一种抗溶血聚丙烯共混物及其制备方法。接着利用TPGS合成了金属纳米粒子，并且巧妙的将提高聚丙烯血液相容性，抗氧化性及抗菌性相结合，为开发实际应用高性能医用聚丙烯提供理论基础。.3.利用石英晶体微天平（QCM-D）和双偏振极化干涉（DPI）相结合的方法，系统研究了不同血浆蛋白质（牛血清白蛋白BSA和纤维蛋白原Fib）在材料表面上的吸附以揭示其不同的吸附机理。我们发现，PEG链密度、PEG熵弹性以及PEG链构象对血浆蛋白质的吸附有重要的影响。短链(MW<1000)PEG接枝密度而不是PEG分子链的长度是决定非特异性蛋白质（BSA）吸附的关键，这主要是由于密实的PEG分子链释放出更多的结合水来抑制蛋白质的吸附。研究Fib在不同分子量PEG表面的吸附行为发现，松散的蘑菇状PEG5000长链(MW>1000)具有高的熵弹性，能够通过改变自身构象来抑制血浆蛋白质的吸附，从而保持蛋白质的天然构象。同时也发现，除了血浆蛋白质在材料表面的吸附量，吸附在表面的蛋白质的构象和取向状态同样对血小板的粘附和激活有很大影响。