表面接枝聚合物（Surface-grafting polymers），也稱為聚合物刷（Polymer brushes），是物質表面改性或功能化的重要工具。電接枝（Electrografting）則是讓有機層附著到固體上的電化學反應，也可拓展為待修飾的底物與試劑之間的電子遷移反應。可用于各種材料，包括碳、金屬及其氧化物，還適用于電介質（例如聚合物），作為一種無需使用噴涂或旋涂就能把聚合物絕緣層直接“接枝”到金屬表面的工藝，很自然的，研究者們早已嘗試將其應用于醫療器械中。

作為表面改性的方法之一，電接枝技術可實現膜層與基底的共價鍵或類似于共價鍵強度的連接，并可在不影響材料本身內部性能的條件下顯著提升表面耐磨性、腐蝕抗性和生物相容性等性能。其原理即對有機物單體施加外加點位，可聚合的單體在電子的作用下于基底表面形成有機膜層，從而達到改性效果。（所以理論上來說，應該能降低成本，并產生更均勻的涂層）

圖1 電接枝示意圖（所以這和電鍍有什么本質區別）

2005年的報道中，比利時和加拿大的研究團隊即嘗試對心血管的金屬支架，進行電接枝表面改性。除了采用市售的不銹鋼板與鉭板外，還使用了M大廠好心提供的不銹鋼支架與鉭支架。研究者將丙烯酸乙酯（Ethylacrylate, EA, Acros, 99.5%）和ε-己內酯（ε-CL，Acros，93％）在氫化鈣上干燥過夜48小時，并在減壓下蒸餾，供隨后使用。（D,L）-丙交酯在乙酸乙酯中重結晶3次，并在真空下干燥2天。二乙基甲酰胺（Dim-ethylformamide，DMF: Aldrich, p.a. grade）使用五氧化二磷干燥，并在70℃下減壓蒸餾。高氯酸四乙銨（Tetraethylammonium perchlorate，TEAP）則在真空中于80℃加熱12小時。（當然國內00年后也有很多類似的研究，且一直延續至今）

圖2 用于支架涂層的電化學電池示意圖：（a）兩個對應的電極陽極；（b）參比電極；（c）工作電極陰極（支架放置的位置）

具體電接枝的操作方式則如下：將充當陰極的金屬表面浸入含有單體、溶劑和導電鹽的電化學浴中，兩個對應的鉑電極作為陽極，鉑金箔作為參比，對陰極的電勢為15mV/s，下圖2為電接枝的典型電壓-電流圖，注意第二次掃描時，陰極電流的大幅下降證實在鉭金屬表面已形成絕緣聚合物膜。用純二乙基甲酰胺DMF仔細清洗接枝后的聚（丙烯酸乙酯）PEA膜，以消除未反應的單體和在電化學過程中形成的任何可溶的未接枝聚合物，通過乙腈洗滌去除DMF。

圖3 電接枝的典型伏安圖（1.5M EA溶于DMF，0.05M TEAP，25℃，電勢掃描速率 20mV/s）

圖4 電鏡下（a）鉭支架和（b）不銹鋼支架的表面，注意鉭支架的粗糙程度

圖5 電鏡下PEA電接枝涂層后的（a）鉭支架和（b）不銹鋼支架，以及（c）不銹鋼支架釋放后的表面

因此，電接枝技術可有效修飾各類金屬支架表面，提供均勻的覆蓋和彈性，同時作為底層基質，在其外表面可加涂帶藥聚酯外涂層（所以看起來，電接枝這個技術很難涂覆內含抗增殖類藥物的聚合物涂層，藥物必須得另加一層，而且還得沿用噴涂）。另一篇2009年的報道，以色列Hebrew University of Jerusalem的研究者們嘗試了三層，由于不銹鋼支架覆蓋的氧化層壓力下易碎且化學成分不穩定，因此采用電接枝技術對支架表面進行改性，由于芳族重氮鹽Aromatic diazonium（苯基重氮鹽Phenyldiazonium）可被電化學還原以與導電表面形成共價鍵，研究者本次采用電接枝技術將芳族重氮分子高密度固定在支架表面，再進行后續聚合。

電接枝技術：使用4-（2-溴乙基）笨重氮四氟硼酸鹽（BrD），以銀/溴化銀Ag/AgBr作為參比電極，鉑Pt線作為對應的正極，對不銹鋼支架/板進行砂紙和氧化鋁懸浮液拋光后，超聲浴洗滌后再用氮氣流干燥。在0.1M 四氟化硼四丁基銨/乙腈 BATFB/ACN溶液中電化學還原30分鐘，隨后注入1mL帶有BrD的干燥ACN, 以產生8mM的最終濃度。以100mV/s的掃描速率在0和-1.6V之間對Pt施加電勢掃描，共30個周期。不銹鋼支架的電化學條件與不銹鋼平板相似，但在陰極預處理期間施加了-1.6V的電勢，并持續15分鐘。隨后將BrD支架浸入帶有ACN的超聲波浴中處理15分鐘，以去除多余的未結合物質，再用溫和的氮氣蒸汽干燥。（不曉得到了現在，真空電接枝技術上能達到嘛）

 圖6 三層不銹鋼支架涂層示意圖。第一步，將BrD電還原至支架表面，第二步，將BrD涂層引發甲基丙烯酸甲酯MMA的原子轉移自由基聚合（Atom-transfer radical polymerization, ATRP），最后一步則噴涂單層或雙層帶紫杉醇PTX的PBMA/PEVA

 圖7 光學顯微鏡下球囊擴張充盈至3mm直徑的不銹鋼支架，（a）對照的B2支架；（b）三層處理后的PMMA-BrD支架；藥物釋放2周后的（c）B2支架的涂層分層，并變為白色（光反射是由于已經分層的聚合物層，從金屬和緩沖層進入多孔基質所致），（d）PMMA-BrD支架的聚合物涂層形態幾乎不變

圖8 兩種支架生理環境下14天后的SEM圖像，（a）B2支架；（b）PMMA-BrD支架

因此我們曉得電接枝表面改性后的藥物支架，涂層具有很高的柔韌，不易出現裂紋或分層，耐久性也更好。于是我們都知道唯一一個商業化的電接枝冠脈支架，來自本土創新，公布了許多與Cypher、Excel等支架頭對頭比較的結果，并證實冠脈中應用效果相當（不過當年的初代支架都好厚，到第二代鈷鉻才薄很多）。那么，殘留就一個問題，如果不能解決攜帶Sirolimus類藥物的問題，那么在電接枝技術自膨式支架上的應用也還蠻有限的。

圖9 唯一國產電接枝冠脈藥物支架（這個eG應即Electrografting之意，不曉得最新的顱內支架會如何）

圖10 電接枝支架的涂層完整性的保持能力

本期得到了兩位機械工程專業的朋友幫助，特此表示感謝。

引用文獻：

1.     Muhammad E. Abdelhamid, Thomas Ruther,Jean-Pierre Marcel Veder, et al. Electrochemically controlled deposition of ultrathin polymerelectrolyte on complex microbattery electrode architectures. Journal of theElectrochemical Society, 166(3) A5462-A5469 (2019).

2.     Christine Jerome, Abdelhafid Aqil,Samuel Voccia, et al. Surface modification of metallic cardiovascular stents bystrongly adhering aliphatic polyester coatings. J Biomed Mater Res A. 2006 Mar1;76(3):521-9.

3.     Yulia Shaulov, Regina Okner, Yair Levi,et al. Poly(methyl methacrylate) grafting onto stainless steelsurface: application to drug-eluting stents. ACS Appl Mater Interfaces. 2009 Nov;1(11):2519-28.