生物医用高分子的制备方法
生物医用高分子材料的构建过程可分为两个阶段：第一阶段为高分子化合物的合成，第二阶段为高分子材料的成型加工（本教材只重点介绍生物医用高分子材料构建的第一阶段）。第二阶段高分子材料的成型加工知识可参阅本章扩展阅读4和5。
在高分子化合物的合成阶段，首先需要对聚合反应的原料进行准备和精制，常用的原料有聚合所需单体、引发剂、链转移剂、催化剂以及聚合所需的其他组分，如溶剂、分散剂、乳化剂等。精制过程则是指对单体、引发剂、溶剂等的纯化步骤，目的是去除阻聚剂和其他杂质，以免带来不可预见的副反应，影响聚合反应的顺利进行。通常来讲，液态原料可利用其沸点相对较低的特点，通过常压蒸馏或减压蒸馏的方法进行纯化，还可利用组分的极性差别，通过碱性氧化铝柱分离提纯；对于固态原料可利用组分在不同溶剂中的溶解性差异，通过重结晶的方法进行提纯。
聚合反应是将小分子的单体化合物通过共价键重复连接形成高分子的过程，最终产物即为聚合物。众所周知，高分子材料的结构决定性质，从而最终决定其用途和效果。因此，聚合物合成是高分子材料构建的基础和关键环节。根据聚合反应的不同原理，其可分为逐步聚合与连锁聚合两类，其中逐步聚合通常是指双官能团或多官能团单体，采用缩合聚合（简称缩聚）或加成聚合（简称加聚）的方式形成高分子链；连锁聚合又称链式聚合反应，是指含有碳碳双键等不饱和键的单体通过连锁聚合反应生成高分子链，在聚合反应过程中有活性中心（自由基或离子），主要包括链引发、链增长和链终止三个基元反应。依据不同的活性中心，连锁聚合又可细分为离子聚合（如阴离子聚合、阳离子聚合）、配位（定向）催化聚合以及自由基聚合。需要指出的是，引发链转移终止剂法、氮-氧稳定的自由基聚合（NMP）、原子转移自由基聚合（ATRP）、可逆加成-裂解-链转移聚合（RAFT）等都属于活性可控自由基聚合，是当今高分子合成领域的研究热点，已广泛应用于生物医用高分子材料的制备。图3-4为聚合反应分类图。
逐步聚合是单体官能团之间通过缩合或加成反应，生成二聚体、三聚体等低聚物，然后由低聚物逐步转化为高聚物，因而通常需要较长的反应时间才能达到高分子量，且逐步聚合反应大多为可逆反应，即一边聚合一边解聚，转化率及分子量随时间呈正比升高。
连锁聚合是以自由基、阴离子或阳离子为活性中心进行链增长的，由于活性中心异常活泼，连锁聚合瞬间就能达到高分子量，延长时间只是提高单体的转化率。常见连锁聚合的特征及对比如表3-5所示。
图3-4 聚合反应分类图
Figure 3-4 Classification diagram of polymerization reactions
表3-5 常见连锁聚合的特征
续表
自由基聚合反应是当今高分子合成领域研究最普遍、实验操作最简便、工业化程度最高的连锁聚合反应。然而，普通自由基聚合却存在缺陷或不足，如分子量分布较宽，聚合物分散性指数（PDI）常高于2.0。同时，聚合物分子量及分子结构难以控制，经常出现支化和交联等问题。为克服上述问题，活性可控自由基聚合通过降低自由基（如活性中心）的浓度及反应活性，实现有效抑制双基终止和链转移反应，使其达到可忽略不计的目的，从而使链增长反应处于绝对主导地位。活性可控自由基聚合，如氮-氧稳定的自由基聚合（NMP）、原子转移自由基聚合（ATRP）、可逆加成-裂解-链转移聚合（RAFT）被广泛研究，已成为高分子科学领域具有学术意义和应用价值的重要方向之一。与普通自由基聚合相比，活性可控自由基聚合最显著的优点在于可控的聚合物分子量以及很窄的分子量分布（1.0＜PDI＜1.5），同时按照特定的单体投料顺序，能够设计合成指定链段结构的嵌段共聚物及拓扑结构（如星形、梳状、环状、接枝聚合物等）。
图3-5 常见的聚合方法
Figure 3-5 Common polymerization methods
因聚合机理不同，聚合反应实施的方法也有所不同（图3-5）。逐步聚合采用的聚合方法有熔融缩聚、界面缩聚、溶液缩聚及固相缩聚。连锁聚合采用的聚合方法有本体聚合、悬浮聚合、溶液聚合及乳液聚合。熔融缩聚是在单体和聚合物的熔点以上（一般高于生成聚合物的熔点10～25℃）进行的缩聚反应，其反应温度比连锁聚合高很多，一般在200℃以上。界面缩聚是指单体、催化剂等处于不同的相态中，单体在多相体系的相界面处发生的缩聚反应。溶液缩聚是指单体、催化剂完全溶解于溶剂中进行的缩聚反应。固相缩聚是指在单体、催化剂等原料的熔点或软化点以下进行的缩聚反应。缩聚反应的特点是不同官能团之间发生反应，形成目标聚合物的同时，还伴有水、氨等低分子副产物的生成。(https://www.daowen.com)
通过聚合反应合成的粗产物体系一般为多组分混合体系，包含目标聚合物、未参与反应的剩余单体、残留引发剂、链转移剂、催化剂、反应溶剂等。为获得纯净的目标聚合物，需要对粗产物体系进行纯化，必须将聚合物与其他杂质分离，还需脱除溶剂。常见的实验室分离主要分为两个步骤，首先将目标聚合物从液体介质中分离，再脱除溶剂等残留的易挥发成分。从液体介质中分离目标聚合物的常用方法有化学破坏凝聚分离、离心分离、透析分离等。化学破坏凝聚分离的原理是目标聚合物和其余杂质组分及沉淀溶剂、酸、碱、盐发生相互作用，打破原有的混合状态，利用目标聚合物与杂质在沉淀溶剂中显著的溶解性差异，使固体聚合物以沉淀或结晶的形式析出，进而实现将聚合物分离的目的。离心分离的原理是通过离心力、重力的作用，利用聚合物等固体颗粒在液体介质中的沉降作用或利用非均相体系各组分的比重不同，将固液相分离。透析分离利用单体、催化剂、引发剂等小分子物质在溶液中可通过透析膜，而聚合物等大分子物质不能通过透析膜的性质，达到分离提纯目的。脱除溶剂等易挥发成分的方法是将易挥发组分从液态变为气态，进而通过挥发作用除掉气态组分，分离效率由气液相界面的浓度差及扩散系数共同决定，最终可实现的浓度则由气液相平衡决定。
当生物医用材料应用于人体时，人体组织细胞或血液最先与材料表面相互接触，并产生某种应答。而遗憾的是，大多数生物医用材料与细胞或血液之间不能相互适应、相互容纳，即不具备良好的组织相容性与血液相容性，最终引起严重的机体排斥反应，导致材料失去生物医用的价值。通常，为了使材料能够激发生物体恰当的应答能力、展现良好的生物相容性，需要对材料表面进行相应的修饰与改性，优化改善生物相容性已成为拓宽高分子材料在生物医用领域中的应用范围的核心问题，因此生物医用高分子材料的表面改性具有重要的研究意义和实用价值。常见的表面改性方法有物理改性、化学改性以及仿生化改性，如表3-6所示。
表3-6 生物医用高分子材料的表面改性方法
物理改性通常是指通过层层自组装技术或物理吸附等包裹一层生物相容性薄膜或聚合物。例如，在生物医用高分子材料表面，通过增加抗凝血涂层来起到钝化高分子材料表面的作用，使血液不会直接接触高分子材料表面，这是改善生物医用高分子材料表面的抗凝血性的有效方法。多种高分子材料成型加工方法也是制备具有不同形态结构、物理化学特性及表界面性质等生物医用高分子材料的有效手段，其中物理共混是构建生物医用高分子材料的重要方法。例如，聚乳酸虽是具有良好生物相容性、生物可降解性、可加工性的生物医用高分子，但其较慢的体内降解速度、高疏水性、低抗冲击强度等，严重限制了其在生物医学领域的应用。为解决上述问题，研究者们将聚乳酸与其他种类的生物医用高分子，如壳聚糖、透明质酸、聚羟基乙酸、聚乙二醇、聚己内酯等通过物理共混的方法，构建了性能优异的复合生物医用高分子材料，这种材料已成功应用于药物载体、形状记忆材料及组织工程支架等。此外，为提高聚砜的血液相容性，研究者们将合成的两亲性抗凝血添加剂共聚物（2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱-甲基丙烯酸正十二烷基酯及2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱-甲基丙烯酸正丁酯的共聚物）与聚砜物理共混，共混后的两亲性共聚物抗凝血添加剂会为了降低界面自由能而富集包裹在聚砜表面，因此提高了聚砜透析膜的血液相容性，最终构建了性能优良的抗凝血材料。
对生物医用高分子材料表面进行涂层处理（即表面涂层技术）也是对生物医用高分子材料进行表面改性的主要手段之一。通过在生物医用高分子材料表面增加抗凝血涂层，钝化敏感的生物材料表面，使血液不能直接与其接触，从而有效地提高材料的生物相容性。例如，通过涂抹抗凝血物质，使生物医用高分子材料表面产生血纤维蛋白质，减少血小板的聚集，使得生物医用高分子材料表面产生抗凝血性能。一般来说，常用抗凝血物质主要有苯乙烯及其转化物、环氧树脂、丙烯酸酯转化物等。这些物质有着很强的黏性，能够用于医疗器械表面，避免出现脱落。另一种方法就是将抗凝血物质和基础材料混合，使基础材料表面能够形成聚集，产生一定的抗凝血性。
物理改性具有操作简单、方便的优势，但如果仅通过物理吸附作用在生物医用高分子材料表面进行涂层，相互作用力较弱，导致稳定性较差，涂层物质有从基材表面脱落的可能。通过化学方法进行表面接枝改性是生物医用高分子材料改性的一个重要途径。通过该方法构建的改性生物医用高分子材料，其表面层与基材通过共价键键合，结合牢固，不会轻易脱落。常见的改性方法有通过高效的点击化学等反应引入功能性基团、键合高分子链、偶联生物活性大分子等。众所周知，许多生物医用高分子材料（如常见的聚硅氧烷、聚四氟乙烯、聚乳酸、聚己内酯等）虽具有良好的生物相容性，但由于高分子的长链式结构易与血液融合、产生吸附。为阻止高分子长链对血液的吸附，利用聚氧乙烯在溶血方面相对稳定的性能，将生物医用高分子与聚氧乙烯共同融合，使其形成水溶性的长链结构，从而尽可能降低生物医用高分子对血浆蛋白的影响，阻止其对血液的吸附。此外，多数生物医用高分子自身无法实现抗菌、自修复、药物缓释等功能。同时，这些聚合物本身不具有反应活性位点，不带有可反应的化学基团，往往难以实现期望的功能材料使用效果。因此，为构建多重响应性和功能性的生物医用高分子材料，对上述聚合物进行表面修饰与改性就显得尤其重要。目前，常见的表面修饰方法有化学溶液处理法（如氧化、磺化、浸渍、水解）、低温等离子体处理、紫外线/射线辐照、原子层沉积、电化学、原子力显微振荡等技术和策略。
等离子体是继固、液、气之后的物质第四态。当外加电压达到击穿电压时，气体分子被电离，产生大量活性粒子的混合体，包括电子、离子、原子、原子团和自由基等，从而为等离子体技术通过化学反应改性材料表面提供了条件。使用低温等离子体改性生物医用高分子材料是用等离子体对高分子材料表面进行处理，将其置于甲烷、氮气、氧气或稀有气体中，通过高压放电的原理产生等离子体，其中的能量粒子及活性物质与高分子材料表面发生反应，改善表面结构来实现表面改性的目的。此外，甲烷等聚合性气体可使生物医用高分子材料表面生成一层聚合物膜，从而提高材料的黏附性。紫外线/射线辐照方法是使用紫外线或射线照射生物医用高分子材料，使其表面发热及活性基团、活性物质能够附着于其表面，这种方法的优点是操作简单、成本低、抗凝血效果好。
表面仿生化改性是改善生物医用高分子材料血液相容性的理想方法之一。仿生化改性使高分子化合物不被血液视为异物，因此在机体内不会被清除、代谢。常见的仿生化改性途径有以下三种：表面肝素化、表面磷脂化、表面内皮化。
肝素因首先在肝脏中被发现而得名，是动物体内一种天然抗凝血物质，也是最早被人们认识和研究的天然抗凝血药物。将肝素分子固定在生物医用高分子材料的表面，是材料抗凝血性能改善的重要途径，采用的方法有物理吸附法和化学键合法。物理吸附法：虽然肝素结合不太牢固，但具有保持肝素构象不变的优势。化学键合法：肝素结构稳定，但不易保持原有构象，使其抗凝血性能降低。磷脂是组成生物膜外表面的主要成分。卵磷脂中的两亲性磷酸胆碱（phosphorylcholine，PC）基团具有很强的抗凝血活性，改善生物医用高分子材料血液相容性的有效方法是在材料中引入磷酸胆碱基团，使生物医用高分子材料表面磷脂化。
表面内皮化又称内皮细胞固定法。众所周知，生物医用高分子材料由于接触到的生物体系成分（如体液、酶、细胞、自由基等）复杂，且生物学环境极其复杂，仅仅依靠表面修饰很难使其血液相容性得到很大的改善。研究者发现，改善材料血液相容性的重要途径是通过应用组织工程技术在材料表面原位培养人体内皮细胞。血管内皮细胞是体内新陈代谢十分活跃的内分泌细胞。通过血管内皮细胞的物理屏障作用及调节维持凝血因子与抗凝血因子之间的动态平衡，可使血液正常流动，而不发生凝血。目前，改善材料血液相容性的理想方法是在生物医用高分子材料表面种植、培养血管内皮细胞。然而，直接将内皮细胞种植在基质材料表面不仅增殖速度慢，而且容易脱落分离。因此，通过共价键结合作用将内皮细胞固定在材料表面，然后在其上种植和培养内皮细胞，可产生更好的效果。