综述：提高长期性两性离子生物医学植入物机械性能的策略

本综述系统探讨了两性离子材料在长期植入物应用中面临的机械强度不足问题，重点评述了通过增强分子间相互作用（氢键、疏水作用等）、优化聚合物链结构设计及纳米填料复合等策略提升其力学性能的最新进展，并分析了涂层、水凝胶、改性聚合物及羧基甜菜碱（CB）酯疏水类似物等应用形式的优劣，为平衡材料抗污性与机械鲁棒性提供了重要见解。

　　

Strategies for Enhancing Mechanical Performances of Long-Term Zwitterionic Biomedical Implants

Abstract

两性离子聚合物（Zwitterionic polymers）凭借其通过离子溶剂化产生的强大水合能力，展现出卓越的抗污（antifouling）性能，使其非常适用于生物医学植入物界面。然而，其较弱的机械强度对维持植入物的长期生理功能构成了重大挑战。本综述探讨了增强两性离子材料机械性能的策略，重点包括通过结合不同化学和物理相互作用来增强分子间作用力、聚合物链结构设计以及纳米填料增强。文章讨论了具有增强机械性能的两性离子材料在界面涂层、两性离子水凝胶、两性离子改性聚合物（生物医学聚合物）以及羧基甜菜碱（CB）酯疏水类似物设计中的最新应用。此外，我们评估了这些方法在实现耐用、抗污植入物方面的优缺点，并强调了进行标准化体内（in vivo）评估以连接实验室研究和临床转化的必要性。

Introduction

生物医学植入物需要抗污性能以确保长期功能性、生物相容性和患者安全。在各种抗污材料中，两性离子聚合物，如聚（2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱）（pMPC）、聚（磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯）（pSBMA）和聚（羧基甜菜碱甲基丙烯酸酯）（pCBMA），因其含有精确平衡的阳离子和阴离子基团，能够实现卓越的生物界面性能。这些聚合物通过强离子溶剂化形成紧密结合的水合层，表现出对非特异性蛋白质吸附的优异抵抗力，其性能超越了传统的聚乙二醇（PEG）基材料。这种卓越的抗污能力使得两性离子修饰的医疗器械能够高效应对各种严重的生物污损现象，包括生物膜形成、血栓形成和异物反应（FBR）。因此，这些聚合物已在多个医学领域得到广泛应用。

尽管具有出色的抗污性能，但两性离子材料，无论是本体形式还是表面涂层，都存在机械强度不足的问题，这严重阻碍了医疗器械的正常功能。此外，目前对于两性离子涂层在复杂生理环境中的长期稳定性尚无共识。为应对机械性能的局限性，研究人员探索了诸如先进水凝胶结构设计等策略来增强本体两性离子材料的机械性能。尽管纯两性离子水凝胶在小鼠一年皮下植入实验中显示出优异的生物相容性，但其高溶胀特性将其模量限制在千帕（kilopascal）范围。与疏水部分进行共聚或物理共混是提高机械强度的潜在解决方案，但这些方法面临极性与非极性链段之间的相不相容性以及可能损害抗污性能的挑战。

Mechanical requirements of long-term medical implants

对于短期医用植入物，急性炎症是主要关注点。对于长期植入物，由异物反应（FBR）引发的影响会被显著放大。即使两性离子功能化区域最轻微的缺陷或损伤也可能破坏植入物的正常运作。更严重的问题是，重新暴露于非生物相容性成分可能引发慢性炎症，进而导致过度纤维化和植入失败。因此，长期植入物必须具备稳健的机械性能以承受生理应力，并最大限度地减少因材料降解或损坏而引起的异物反应。

Strategies for mechanical reinforcement

为了系统增强两性离子材料的机械性能，从分子到微观结构层次的策略可归纳为三个核心方面：首先，在分子尺度上，通过引入多重氢键、疏水相互作用或静电力来增强分子间相互作用，从而提高本征韧性和强度。其次，在聚合物链尺度上，精确的链结构设计，如构建分段链、引入可逆交联点或设计双网络结构，可以有效地耗散能量并提高材料的弹性与耐久性。第三，在微观结构层面，将两性离子材料与纳米填料（如纳米粘土、碳纳米管或二氧化硅纳米粒子）复合，可以形成增强网络，显著提高材料的模量和强度。

Recent Applications of zwitterionic materials in long-term implants

上述三个原则广泛应用于两性离子长期医用植入物的设计中。根据应用形式，近期的两性离子研究进展可分为四类进行讨论：涂层、水凝胶、两性离子改性聚合物以及CB酯疏水类似物。在许多研究中，可以观察到在同一设计中结合了多种原则的混合方法。

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  涂层：两性离子涂层被广泛应用于血液接触器械、骨科植入物等表面，以提供抗污性能。通过共价锚定、层层自组装或引入交联网络来增强涂层与基底的结合力及其内聚力，是提高涂层机械稳定性和耐久性的关键。
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  水凝胶：两性离子水凝胶因其高含水量和生物相容性而备受关注。通过构建双网络（DN）水凝胶、纳米复合水凝胶或引入离子配位键、疏水微区等物理交联点，可以显著改善其机械性能（如韧性、抗蠕变性），使其更适用于承重或动态环境。
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  两性离子改性聚合物：将两性离子基团接枝或共聚到传统生物医学聚合物（如聚氨酯、硅橡胶）中，可以在保持基体材料良好机械性能的同时，赋予其表面或本体抗污特性。
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  CB酯疏水类似物：羧基甜菜碱（CB）的酯键在特定条件下（如酶解）可水解，恢复其两性离子性质。设计CB的酯类疏水类似物是一种新颖策略，该类似物在初期呈现疏水特性（可能具有更好的机械性能），在植入体内后通过水解逐渐转变为亲水的、具有抗污性的CB形式，从而实现机械性能与抗污性的动态平衡。

Conclusions and Perspectives

总之，机械完整性对于长期植入物承受生理应力和减轻由异物反应引起的慢性炎症或纤维化至关重要。虽然两性离子材料展现出良好的抗污性能，但其溶胀倾向——特别是对pH、温度和离子强度等环境变化的响应——对其持续的体内（in vivo）性能构成了重大挑战。为解决这一问题，分子工程策略、链结构设计和纳米复合材料被证明是有效的。未来的研究需要更多地关注在动态生理条件下（如剪切应力）的长期体内评估，以弥合实验室研究与临床转化之间的差距。标准化测试协议和更相关的动物模型对于推进下一代两性离子生物医学植入物的发展至关重要。