光化學反應在生物材料表面修飾中的應用

蔣昊

摘 要：近幾年，隨著科學技術的快速發(fā)展，生物材料在眾多領域起到越來越重要的作用，尤其是在詳細了解表界面性質(zhì)后，發(fā)現(xiàn)這對生物材料的研發(fā)也起到了積極作用。其中，光化學修飾不僅簡單便捷，也具備可控性等諸多優(yōu)點，是當前表界面修飾的重點研究內(nèi)容之一。

關鍵詞：表面修飾;光化學;生物材料;應用

隨著細胞芯片等相關新興科技的急速發(fā)展，生物醫(yī)用材料表界面的性質(zhì)已變得愈發(fā)重要。因此，通過有效模擬細胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)，設計出各類細胞外基質(zhì)的表面，以便深入了解蛋白質(zhì)細胞之間相互作用的規(guī)律。在此基礎上，各種各樣的表面修飾法也就如雨后春筍般出現(xiàn)。在此過程中，光化學反應本身具有諸多特點，比如非侵入性。因此，這方面的研究越來越多，只需調(diào)控光源就能夠達成最終試驗目的，基于此，國內(nèi)外科技工作者不斷對其進行優(yōu)化。

1?生物材料表面修飾相關的化學反應

由于光所參與的表面化學反應在通常情況下不會對材料本體造成任何損壞，可以在常溫條件下進行，具備反應速度慢、毒性低、可控性等諸多優(yōu)點。因此，在生物醫(yī)藥材料表面修飾中，也具備一定的特殊優(yōu)勢。近些年，隨著該項技術的不斷發(fā)展，也出現(xiàn)了一系列表面光化學反應法，其中就有硫醇-烯烴、四唑-烯烴以及光不穩(wěn)定基團反應等。

1.1? 硫醇-烯烴光點擊反應

硫醇-烯烴光點擊反應的主要特點在于簡單高效、反應條件溫和、容易提純并且對水和氧氣不會有任何敏感性的變化，具有良好的廣泛適用性，這也是當前點擊化學中最普遍的反應之一。但是按照分類，大體上可以分為兩類：一類是邁克爾加成反應，另一類則是富含自由基引發(fā)的反應，主要原理是通過紫外線的照射光引發(fā)，即吸收光粒子所產(chǎn)生的自由基，在經(jīng)過一系列的化學反應后，最終形成硫醚終產(chǎn)物，但也會受到其他因素的影響，包括引發(fā)劑的含量、酸堿度、溶劑等。這里還有一點需要引起重視，即發(fā)生在表界面時，還需要考慮接枝化合物的空間位阻效應，因此，面對這種情況，需要將炔基直接引入無光源環(huán)境中，但是要保證化合物不會產(chǎn)生任何反應[1]。接下來使用的方法就是通過光源的刺激轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)辛炔，并且需要通過與疊氮的反應生成C2H3N3。使用這種方法可以得到高密度PEG聚合物，并且長期泡在磷鹽酸溶液中仍然具備良好的抗污性能。考慮到銅離子本身具備一定的毒性以及環(huán)心炔類化合物修飾合成具有復雜性，對該項技術的推廣也具有限制性。

1.2? 四唑-烯烴反應

四唑-烯烴反應的概念是在20世紀60年代末提出的，經(jīng)過多年的發(fā)展，直到21世紀初期，也就是在2008年，經(jīng)過多位教授的重新研究之后，才引起人們的重視。四唑化合物在經(jīng)過紫外線的強烈照射后，會釋放氮氣，具備一定活性的腈亞胺，然后經(jīng)過一系列的化學反應后，就形成了較為穩(wěn)定的吡唑啉共價環(huán)，同時，還可以發(fā)出淡淡的熒光用于標記，以此檢測反應是否正在進行。相對而言，這種化合物的合成以及修飾具有一定的復雜性，因此，要想對其進行廣泛的應用，也就存在較多的限制。

1.3? 光不穩(wěn)定基團反應

由于當前在對生物材料表面光化學反應修飾進行研究，對于鄰硝基芐基及其衍生物的介紹相對較多，受到了很多試驗機構(gòu)的關注，因具備紫外光不穩(wěn)定性并且其衍生物相對較多，在斷鍵機理上也有很大的特別之處。利用這樣的特性進行降解凝膠薄膜和光響應表面的制備，在動態(tài)響應表面制備上，相關人員通過將RGD多肽（精氨酸-甘氨酸-天門冬氨酸序列）放在PEG凝膠表層，充分利用其特點修飾RGD，使得細胞喪失粘附性。大量試驗數(shù)據(jù)表明，將該材料直接接入小白鼠體內(nèi)，在使用特定的設備照射以后，就能得到最終的試驗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)非侵入性時空調(diào)控RGD多肽暴露，很顯然這對于今后血管老化以及炎癥等相關研究起到了極其重要的作用。

2?表面光化學反應制備生物醫(yī)用材料研究

2.1? 化學仿生表面

在生理環(huán)境下，細胞基質(zhì)的重要性日益凸顯，首先，不僅能夠為細胞提供相應的機械支撐，在一定程度上還能夠有效控制其具體行為，比如新陳代謝、運輸?shù)?。另外，仿聚肽、蛋白質(zhì)的物質(zhì)也會不同程度地影響細胞功能，并且在經(jīng)過光化作用以后，也很容易在基底表面修飾上述功能化仿生基團。在仿生多肽表面制備上，就有學者嘗試使用ATRP法與其他方法相結(jié)合，在聚碳酸酯型聚氨酯的表面引入HO（CH2CH2O）nH，有助于改變其表層清水性。同時，用半胱氨酸的內(nèi)皮選擇CAG修飾，那么試驗的結(jié)果就能夠幫助抑制血小板粘附，并且光化學反應也能夠?qū)⒌鞍追肿有揎椀狡浔砻妗４送?，為了研究不同細胞外基質(zhì)蛋白對肝臟細胞分化行為所產(chǎn)生的影響，有學者將6-己酸磺酸基琥珀酰亞胺酯雙官能團分子作為偶聯(lián)劑，然后將膠原蛋白等通過自動點樣儀滴加到PAAG上，通過光的作用直接將其化學鍵接在凝膠表面，這樣就可以詳細觀察整個試驗的變化，進而得到最終的數(shù)據(jù)。

2.2? 薄膜凝膠的硬度調(diào)控

細胞的新陳代謝以及運動等諸多行為容易受到外基質(zhì)以及可溶性生長因子的影響。在此過程中，外機制為細胞的成長提供了一定的硬度，其變化范圍為1～1 000 kPa，而研究人員大多以凝膠模擬細胞的外基質(zhì)。由于光的特性，在二維薄膜凝膠的制備過程中，其硬度可以根據(jù)交聯(lián)程度的不同作出相應改變，尤其是在改變了照射時間后，發(fā)現(xiàn)其程度得到了提高，光在其中也起到了極其重要的作用。但是大量試驗表明，讓人間充質(zhì)干細胞（hMSC）在硬度更強的凝膠表面鋪展和增殖，具體效果反而會更好[2]。在試驗過程中觀察細胞的具體行為，比如運動、運輸在動態(tài)硬度微環(huán)境下所帶來的具體影響。隨著科技的快速發(fā)展以及對光學的不斷研究，無掩膜光刻法早已被廣泛應用于生物材料的制備中，并且在此基礎上，有學者提出使用光可降解凝膠作為基底材料，然后使用無掩膜光刻法。接下來，就需要輸入各種自制的8位灰度圖片，目的就是實現(xiàn)指定照射區(qū)域范圍內(nèi)的光強，根據(jù)實際需求改變凝膠交聯(lián)的密度大小，以便得到較為理想的試驗結(jié)果。由于該方法在實際制作過程中可以根據(jù)試驗需要調(diào)控精度，最高可以達到1 μm級別，而在此基礎上，也制定了各種尺寸大小的硬度圖像。如今，該方法可以用于研究間充質(zhì)干細胞的遷移行為。

2.3? 圖案化和梯度表面

與其他反應相比，光參與的化學反應可以精準地調(diào)控光照時間以及強度等，因此，在制備生物材料表面方面具有極大的優(yōu)勢。例如在圖案表面化的研究中，可以采用局部透光和不透光的光掩膜，如在單分子層的圖案化修飾中，可以結(jié)合微接觸印刷法，在修飾CN4H2分子的硅片上，與含有雙鍵、三鍵的分子進行快速反應，制備蛋白阻抗，將聚合物刷在微圖案上，采用激光掃描和光刻法，在一端為甘醇（CH2OH）2的單分子表面就會形成較為復雜的圖形，并且在該分子較為離散的圖案區(qū)域很容易粘附蛋白質(zhì)。接下來使用特定的灰度圖片，用激光進行掃描，也能夠得到最終的光強。

在光調(diào)控表面聚合物和修飾密度梯度方面，可以有效利用光的作用引發(fā)一系列的化學反應，采用銥（lr）作為催化劑。由于其化學性質(zhì)較為穩(wěn)定，酸的穩(wěn)定性較高[3]，可以制備在均衡引發(fā)劑修飾表面上簡單時空可控的聚合物刷，并且通過傳統(tǒng)光掩膜的作用，有效限制透光區(qū)域的增大。此外，沒有受到光照的部分區(qū)域仍然具備一定的活躍性，要想進一步認識光化學反應機理，還需要通過大量的試驗以及合理的設計，控制表面特定區(qū)域范圍內(nèi)的光通量，有效制備梯度表面。

2.4? 微液滴陣列與光響應動態(tài)生物材料表面

在過去的30多年內(nèi)，微型化概念被廣泛應用于化學分析領域，近20年以來，隨著生物科學技術的發(fā)展，對該概念理論的探究以及實際操作得到高度重視。尤其是微液滴環(huán)境模擬常規(guī)試驗環(huán)境，有助于加快試驗的速度，同時，此過程有利于降低各種成本。此外，光響應動態(tài)表面不僅可以實現(xiàn)非侵入性細胞粘附等作用，在時空控制上也具有重要的作用，這對于細胞的診斷以及后續(xù)的相關生物工程研究具有極高的實用價值。雖然在實際應用過程中仍然存在很大的缺陷，但是大部分的光響應表面通常是在光的作用下調(diào)控的，這也就導致這種行為或者方法對細胞造成了不同程度的損傷，并且組織的滲透性也相對較差，雖然后來UCNPs的相關案例也為該方面的研究帶來了新的思路和方法，但是只有進一步拓寬現(xiàn)有研究范圍，才能以更為簡單和直觀的方式獲得更好的試驗數(shù)據(jù)，對于該領域的發(fā)展也起到了積極的作用。

大量試驗數(shù)據(jù)表明，微液滴陣列能夠抑制鼠胚胎干細胞自發(fā)分化，這對于研究干細胞的生長分化起到了積極作用。此外，也可以用于研究微液滴陣單細胞培養(yǎng)以及傳感器、芯片設計和藥物組合的篩選等諸多方面。

2.5? 生物材料高通量制備平臺

為了加快生物材料的研發(fā)進度，已經(jīng)從原有的單一因素研究轉(zhuǎn)為多因素共同研究，在基因功能學以及組合化學等領域，化學反應在此過程中起到了極為重要的作用。大量試驗數(shù)據(jù)表明，研究人員可以充分利用光的時空可控性來制備離散型的高通量微陣列，而在當前生物應用材料的研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，該方法可以有效篩選出各種生物分子庫，比如DNA蛋白質(zhì)以及多種抗體等[4]。由此可見，生物材料高通量制備和表征為該領域醫(yī)用材料的基本性能提供了較為廣闊的研究前景。

3?結(jié)語

采用光化學的方式設計和修飾生物材料表面，不僅簡單高效，還可以用于多個較為成熟的應用場景，單從表面化學修飾來看，硫醇-烯烴光點擊反應使用次數(shù)相對較多。在此過程中，不需要較為復雜的合成，并且相關分子當中含有半胱氨酸，有利于材料的直接修飾。其他反應也存在不同的優(yōu)點，因此，需要充分認識光化學反應在生物材料表面修飾中的應用。隨著科技水平的不斷提升，光化學反應具有廣闊的應用前景。根據(jù)近幾年科技發(fā)展的趨勢以及研究的總體方向，今后關于光化學生物材料表面的研究會不斷增加，并且在此過程中，還需要一些較為特殊的儀器來輔助。

[參考文獻]

[1]劉萍，汪璟，郝鴻業(yè)，等.光化學反應在生物材料表面修飾中的應用[J].化學進展，2019（10）：1425-1439.

[2]楊璇.金薄膜電極表面修飾納米ZrO2的DNA電化學生物傳感器的構(gòu)建及應用[D].杭州：浙江大學，2017.

[3]王卓，鮮于運雷，陳雯雯.納米金上的化學表面修飾在生物分析中的應用[C].北京：中國化學會第29屆學術年會論文集，2014.

[4]朱祥龍.納米材料表面化學在生物分析中的應用[D].廈門：廈門大學，2016.