一种表面接枝交联的两性离子聚合物涂层及其制备方法与应用

本发明专利涉及一种表面接枝交联的两性离子聚合物涂层及其制备方法与应用，主要涉及生物医用材料及管路等医疗器材的表面修饰，如体外血液循环装置、人工血管、导尿管、内窥镜等医用器材的表面修饰，提供良好的抗凝血、抗生物黏附、抑制血小板激活等“血液无扰”的血液循环效果。

背景技术：

1、体外血液循环是血液透析、临床上心脏手术等常用的重要手段，进行血液净化或暂时替代心肺功能。但这些体外循环装置的临床应用面临的严重并发症之一就是血栓形成。例如，体外膜肺氧合机(ecmo)，即全球新冠病毒肆虐时被称作“救命机”的呼吸机，主要是用于重症心肺功能衰竭的患者进行长时间的心肺替代治疗。但血液外循环期间，血液与非内皮表面的接触易导致血小板激活，进而引起血栓形成和血液破坏，因此通常需要采取血液抗凝管理，最常用的就是使用肝素，但长期使用或过量使用肝素，会诱导血小板减少症(hit)，有出血的风险以及其它并发症。目前的体外血液循环材料主要有聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚氨酯和聚丙烯，与血液之间会产生各种生物反应，如蛋白质吸附、血小板黏附、凝血、溶血，且伴随着产生一系列血液成分激活反应，释放大量炎性因子，引发不良临床预后等。因此，为满足较长时间体外血液循环的临床需求，对循环系统、动静脉插管、人工血管等进行抗凝血、抗生物黏附涂层修饰成为必要途径。

2、目前研发的抗凝血涂层材料主要有肝素涂层材料和非肝素涂层材料两种。肝素涂层具有抑制血液成分激活、减少炎性因子释放等特性，最初应用于改善体外循环引起的凝血反应，但肝素涂层的使用会存在出血的风险，同时可能会导致血小板减少，并且有一定的过敏风险。因此，非肝素抗凝血涂层成为新的发展方向。聚合物涂层所具有的高亲水表面不仅赋予了其良好的防污能力，还可以为生物组织提供柔软的生物相容性界面，是一种理想的防污涂层材料。目前的聚合物涂层方法有两种，一种是在基底表面引入可反应的活性基团然后表面接枝水溶性大分子，形成“大分子刷”型的水凝胶薄层，厚度在几百纳米到几微米之间，但这种方法所制备的涂层因太薄而不能耐受剪切、摩擦等机械损伤，造成涂层脱落。另外的方法是在表面进行模塑或浸渍涂布方式，形成厚度50μm以上交联网络结构的聚合物涂层，但这种方法形成的涂层与管路本体间的力学相容性较差，且较难控制涂层表面的微观结构。目前，上述方法所制备的聚合物涂层在与血液长期接触时，只能减少但无法完全避免血小板的激活和黏附，仍会在水凝胶表面引起血栓。

3、在众多水凝胶材料中，两性离子水凝胶因具有极好的水化能力显示出了更加优异的血液相容性，能够有效地抵抗蛋白质、细菌、细胞、血小板在其表面的黏附，进而抑制血栓形成。两性离子聚合物被广泛用于抗生物黏附的表面修饰涂层，人们采用多种方法制备两性离子聚合物涂层，但两性离子聚合物涂层的弱点是极易吸水溶胀，导致凝胶强度减弱，尤其是这种溶胀会在水凝胶薄层内引起较大的应力而破坏涂层与基质间的结合力，导致两性离子聚合物涂层很容易与基底表面发生剥离。交联虽然能够抑制两性离子水凝胶溶胀，但导致凝胶较脆且与基底间的结合力较弱。因此，两性离子聚合物涂层一直难以实现实际应用。

4、天然血管与血液接触的内膜层，由内皮细胞层及其周围的纵行弹性纤维与结缔组织构成，是最好的血液相容性表面。血管内膜层表面分布着沿血管长轴方向排布的单层内皮细胞层，呈亚微米尺度沟槽和沟槽表面纳米级的包状突起结构。内皮细胞表面覆盖一层糖蛋白复合结构的高亲水性的凝胶状层，具有软弹性(表面杨氏模量：1-100kpa)和超润滑性(摩擦系数：0.04-0.15)，为血液流动提供良好的动力学环境。此外，研究表明，模拟血管内膜表面纳微米拓扑结构能够有效抑制血小板的激活和黏附，而血小板的激活和黏附是材料表面抗凝血性能的决定因素。为此，本发明模拟血管内膜结构，构建一种工艺简单、性能优良的两性离子聚合物涂层，具有类血管内膜的表面微纳结构、极低摩擦系数、软弹性和超亲水性，实现血小板的零激活和零黏附，进而提供“血液无扰”的血液循环效果。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的是提供一种适于不同材料表面抗凝血、抗生物黏附的涂层及其制备技术，具体是表面接枝交联的两性离子聚合物涂层及其制备方法与应用。

2、通过本发明制备的表面接枝交联的两性离子聚合物涂层，具有类血管内膜的微纳米沟槽和纳微米孔隙的表面拓扑结构、超亲水性、较低的表面杨氏模量和低摩擦系数，在与血液长期接触过程中呈现“血液无扰”性质，具有零血小板激活和黏附、零血栓形成的抗凝血效果，并兼具抗冲刷、耐磨和耐弯折等良好的机械强度和稳定性；此外，涂层具有工艺简便、适用广、低成本等特点，便于应用转化。

3、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

4、一种表面接枝交联的两性离子聚合物涂层，所述聚合物涂层是在预先经表面引发剂活化的聚合物基底表面和水溶液中同时引发两性离子单体与水溶性交联剂的接枝交联聚合所形成的涂层；

5、其中，所述聚合物涂层的厚度为25-100μm；

6、且，所述聚合物涂层在水介质中的摩擦系数＜0.005，表面杨氏模量为10-60kpa。

7、所述水溶液中含有两性离子单体、水溶性交联剂和水溶性引发剂，其中两性离子单体的浓度为10wt％-60wt％，水溶性引发剂占两性离子单体质量的0.5wt％-20wt％；所述的水溶性交联剂包括占两性离子单体质量3wt％-12wt％的化学交联剂和占两性离子单体质量0wt％-40wt％的物理交联剂。

8、

9、其中，所述两性离子单体至少为甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱(sbma)、2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱(mpc)、羧酸甜菜碱甲基丙烯酸酯(cbma)中的一种。

10、所述化学交联剂至少含有n,n-亚甲基双丙烯酰胺(mba)、n,n-双(丙烯酰)胱胺(msba)、二甲基丙烯酸乙二醇酯(eba)、羧酸甜菜碱二甲基丙烯酸酯(cbba)中的一种。

11、

12、所述的表面引发剂优选疏水性的表面引发剂，更有利于表面与水相界面间的接枝交联聚合反应。

13、适当的交联可以提高涂层的厚度和抗冲刷、耐磨和耐弯折等良好的机械强度和稳定性，且涂层具有交联型的微米沟槽和纳微米孔隙的表面拓扑结构，且结合了两性离子的超亲水性、极低的摩擦系数(＜0.005)和软弹性特征的表面杨氏模量(10-60kpa)，提供了优异的抗蛋白黏附性能、零血小板黏附和长效抗凝血性能。

14、进一步，物理交联剂选自n-丙烯酰甘氨酸酰胺(naga)。

15、

16、naga作为一种较强氢键形成能力的单体，常被用做物理交联剂，引入到水凝胶网络中，所形成的氢键物理交联网络具有可逆性，极大的提高水凝胶的强度和韧性。在本发明的涂层中引入naga单元，在化学交联基础上增加了氢键物理交联动态网络，大幅度提高了涂层的机械强度和表面接枝的稳定性，具有更好的耐磨、耐水冲刷和耐弯折性能，适于人工血管、体外血液循环等更长时间抗凝血涂层的应用需求。

17、所述聚合物涂层是在以聚合物为基材的表面形成的涂层。聚合物更容易被表面引发剂渗透活化，接枝交联的两性离子聚合物涂层更稳定。

18、所述基底材料包括但不局限于聚氯乙烯(pvc)、聚氨酯(pu)、聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚碳酸酯(pc)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、各种橡胶等高分子材料。

19、在上述聚合物基底表面和水溶液中同时引发两性离子单体与水溶性交联剂的接枝交联聚合所形成涂层，所述水溶液中两性离子单体的浓度优选为15wt％-40wt％，化学交联剂占两性离子单体质量的5wt％-10wt％，物理交联剂占两性离子单体质量的10wt％-40wt％，水溶性引发剂占两性离子单体质量的1wt％-15wt％；所制备的涂层表面具有交联的微纳米沟槽结构，稳定性、抗黏附性能更好。因为交联结构有助于提高涂层的强度，过低交联剂用量下涂层机械稳定性差，过高交联剂用量下涂层脆性增强且亲水性下降导致蛋白、血小板黏附量增加；而单体浓度过低或引发剂量太少，接枝聚合效率下降，但过多的单体和引发剂会导致反应难以控制，涂层结构也难以控制。

20、本发明还请求保护一种表面接枝交联的两性离子聚合物涂层的制备方法，特征是首先将表面引发剂溶胀入被改性的表面，然后在表面和水溶液中共同引发两性离子单体与水溶性交联剂的接枝交联聚合，得到表面涂层；具体制备步骤如下：

21、(1)将基底浸泡在表面引发剂的溶液中，使引发剂扩散入基底表面层，活化基底表面，然后用去离子水或溶剂冲洗基底表面，干燥；

22、(2)将表面引发剂活化的基底表面浸入到两性离子聚合物前驱体溶液中，通过光或热引发接枝交联聚合，之后，用去离子水冲洗掉表面的吸附物，则在基底表面形成接枝交联结构的两性离子聚合物涂层；

23、所述的前驱体溶液是由两性离子单体、水溶性交联剂和水溶性引发剂组成的水溶液，其中两性离子单体的浓度为10wt％-60wt％，化学交联剂占两性离子单体质量的3wt％-12wt％，物理交联剂占两性离子单体质量的0wt％-40wt％，水溶性引发剂占两性离子单体质量的0.5wt％-20wt％。

24、且，所述的表面引发剂是光引发剂或热引发剂，优选自疏水性的二苯甲酮、4-甲基二苯甲酮、异丙基硫杂蔥酮、过氧化苯甲酰或偶氮二异丁腈；所述水溶性引发剂是光引发剂或热引发剂，选自irgacure 2959、α-酮戊二酸、过硫酸铵或过硫酸钾。

25、所述方法为光引发聚合，具体步骤如下：

26、(1)将被修饰的基底表面浸泡在表面光引发剂溶液中，对基底表面进行活化处理，然后用去离子水或溶剂清洗，干燥；所述的表面光引发剂选自疏水性的二苯甲酮、4-甲基二苯甲酮、异丙基硫杂蔥酮；

27、(2)将步骤(1)表面引发剂活化的基底表面浸入到两性离子聚合物前驱体溶液中，通过紫外光引发表面接枝交联聚合，之后，用去离子水冲洗基底表面，则在基底表面形成接枝交联结构的两性离子聚合物涂层；

28、所述的两性离子聚合物前驱体溶液中，两性离子单体的浓度为10wt％-60wt％，化学交联剂占两性离子单体质量的3wt％-12wt％，物理交联剂占两性离子单体质量的0wt％-40wt％，水溶性光引发剂占两性离子单体质量的0.5wt％-20wt％；所述的水溶性光引发剂选自irgacure-2959或α-酮戊二酸。

29、且，所述的表面光引发剂优选二苯甲酮，水溶性光引发剂优选irgacure-2959。二苯甲酮和irgacure-2959是生物安全性较好的光引发剂，常用于生物材料的制备。

30、所述涂层的光引发制备方法，优选在聚合物基底材料上进行，包括聚氯乙烯、聚氨酯、聚酯、聚酰胺或橡胶；所述水溶液中两性离子单体的浓度为15wt％-40wt％，水溶性引发剂占两性离子单体质量的1wt％-15wt％，化学交联剂占两性离子单体质量的5wt％-10wt％，物理交联剂占两性离子单体质量的10wt％-40wt％；所述的物理交联剂为n-丙烯酰甘氨酸酰胺，化学交联剂至少为n,n-亚甲基双丙烯酰胺、n,n-双(丙烯酰)胱胺、二甲基丙烯酸乙二醇酯、羧酸甜菜碱二甲基丙烯酸酯中的一种。

31、所述的涂层的制备方法，可在管路内外表面同时修饰上涂层，或只在内或外表面修饰上涂层，只需将被修饰的表面进行活化和接枝交联过程，如用于管路内表面进行两性离子聚合物涂层的修饰，是通过如下方法制备：

32、(1)将待修饰的管路用异丙醇和去离子水进行冲洗，用氮气流完全干燥后将管路的一端封闭，然后向管路内灌注表面光引发剂溶液，对基底表面进行活化处理，然后将管内的光引发剂溶液回收并用水对管路进行清洗，干燥；

33、(2)将表面被活化的管路的一端封闭，从另一端向管路内注入两性离子聚合物前驱体溶液，紫外光均匀照射管路，引发接枝交联聚合，然后用去离子水冲掉未反应物，即可得到表面接枝交联的两性离子聚合物涂层。

34、进一步，两性离子单体优选为甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱，化学交联剂为n，n-亚甲基双丙烯酰胺，这两种原料易得、成本低，得到了比较广泛的应用。

35、本发明的制备方法中，基底在被活化前，最好用溶剂如异丙醇和水进行清洗，干燥后再进行活化。清洗后的基底和活化后的基底在空气中干燥即可，但最好在氮气流下干燥，避免污染。

36、此外，本发明还请求保护上述表面接枝交联的两性离子聚合物涂层的应用，特点是用于修饰材料及物品、器材的内或外表面，赋予表面抗生物黏附和抗凝血功能，特别是用于生物医用材料及管路、人工血管、各种医疗器材的表面修饰应用。

37、需要说明的是，采用本发明技术，还可以将所制备的表面接枝交联的两性离子聚合物涂层同时修饰到管路的内、外表面，以及各种复杂的不规则的器材的内外表面。而且，只要物质的表面能够修饰上引发剂或被引发剂活化，都可以采用本发明技术在物质表面形成本发明所述的接枝交联结构的两性离子聚合物涂层，发挥抗生物黏附、抗凝血作用。

38、与现有技术相比，本发明公开了一种表面接枝交联的两性离子聚合物涂层及其制备方法与应用，具有如下有益效果：

39、1)本发明创造性的选用表面接枝交联结构的两性离子聚合物涂层，很好结合了两性离子聚合物的良好血液相容性(抗生物黏附、与血液组分极低的相互作用)与类血管内膜的表面微纳结构、超润滑、柔弹性特征，实现了涂层极低的生物黏附作用，对血小板的零激活和零黏附，不仅能够高效抗凝血，而且涂层不影响血液成分及其相互间的作用、不改变血细胞的形态的“血液无扰”性能，有利于避免临床上血液外循环及人工血管血液内循环所导致的多种并发症，非常具有临床应用价值。

40、2)本发明的两性离子聚合物涂层制备技术简单，所用的原料不仅方便制备且成本较低，尤其是光引发聚合的涂层制备条件温和，不影响制品的结构、尺寸形状和本体性能，而且适于形状不规则的基底表面涂层修饰；此外，本发明技术适用于多种材料的表面修饰，为不同材质、不同形貌的表面功能化提供了新方法。

41、3)本发明提供表面和溶液共同引发的接枝交联聚合方法，能够很好的控制涂层的厚度和表面微纳结构，而且涂层内部适当的化学交联和氢键物理交联结构还提供了较强的机械稳定性并有利于维持表面纳微米拓扑结构，实现功能与强度的很好结合，解决了两性离子聚合物涂层存在的强度低、与基底表面结合不牢固、稳定性差等问题。