表面接枝聚合物（Surface-grafting polymers），也称为聚合物刷（Polymer brushes），是物质表面改性或功能化的重要工具。电接枝（Electrografting）则是让有机层附着到固体上的电化学反应，也可拓展为待修饰的底物与试剂之间的电子迁移反应。可用于各种材料，包括碳、金属及其氧化物，还适用于电介质（例如聚合物），作为一种无需使用喷涂或旋涂就能把聚合物绝缘层直接“接枝”到金属表面的工艺，很自然的，研究者们早已尝试将其应用于医疗器械中。

作为表面改性的方法之一，电接枝技术可实现膜层与基底的共价键或类似于共价键强度的连接，并可在不影响材料本身内部性能的条件下显著提升表面耐磨性、腐蚀抗性和生物相容性等性能。其原理即对有机物单体施加外加点位，可聚合的单体在电子的作用下于基底表面形成有机膜层，从而达到改性效果。（所以理论上来说，应该能降低成本，并产生更均匀的涂层）

图1 电接枝示意图（所以这和电镀有什么本质区别）

2005年的报道中，比利时和加拿大的研究团队即尝试对心血管的金属支架，进行电接枝表面改性。除了采用市售的不锈钢板与钽板外，还使用了M大厂好心提供的不锈钢支架与钽支架。研究者将丙烯酸乙酯（Ethylacrylate, EA, Acros, 99.5%）和ε-己内酯（ε-CL，Acros，93％）在氢化钙上干燥过夜48小时，并在减压下蒸馏，供随后使用。（D,L）-丙交酯在乙酸乙酯中重结晶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℃下减压蒸馏。高氯酸四乙铵（Tetraethylammonium perchlorate，TEAP）则在真空中于80℃加热12小时。（当然国内00年后也有很多类似的研究，且一直延续至今）

图2 用于支架涂层的电化学电池示意图：（a）两个对应的电极阳极；（b）参比电极；（c）工作电极阴极（支架放置的位置）

具体电接枝的操作方式则如下：将充当阴极的金属表面浸入含有单体、溶剂和导电盐的电化学浴中，两个对应的铂电极作为阳极，铂金箔作为参比，对阴极的电势为15mV/s，下图2为电接枝的典型电压-电流图，注意第二次扫描时，阴极电流的大幅下降证实在钽金属表面已形成绝缘聚合物膜。用纯二乙基甲酰胺DMF仔细清洗接枝后的聚（丙烯酸乙酯）PEA膜，以消除未反应的单体和在电化学过程中形成的任何可溶的未接枝聚合物，通过乙腈洗涤去除DMF。

图3 电接枝的典型伏安图（1.5M EA溶于DMF，0.05M TEAP，25℃，电势扫描速率 20mV/s）

图4 电镜下（a）钽支架和（b）不锈钢支架的表面，注意钽支架的粗糙程度

图5 电镜下PEA电接枝涂层后的（a）钽支架和（b）不锈钢支架，以及（c）不锈钢支架释放后的表面

因此，电接枝技术可有效修饰各类金属支架表面，提供均匀的覆盖和弹性，同时作为底层基质，在其外表面可加涂带药聚酯外涂层（所以看起来，电接枝这个技术很难涂覆内含抗增殖类药物的聚合物涂层，药物必须得另加一层，而且还得沿用喷涂）。另一篇2009年的报道，以色列Hebrew University of Jerusalem的研究者们尝试了三层，由于不锈钢支架覆盖的氧化层压力下易碎且化学成分不稳定，因此采用电接枝技术对支架表面进行改性，由于芳族重氮盐Aromatic diazonium（苯基重氮盐Phenyldiazonium）可被电化学还原以与导电表面形成共价键，研究者本次采用电接枝技术将芳族重氮分子高密度固定在支架表面，再进行后续聚合。

电接枝技术：使用4-（2-溴乙基）笨重氮四氟硼酸盐（BrD），以银/溴化银Ag/AgBr作为参比电极，铂Pt线作为对应的正极，对不锈钢支架/板进行砂纸和氧化铝悬浮液抛光后，超声浴洗涤后再用氮气流干燥。在0.1M 四氟化硼四丁基铵/乙腈 BATFB/ACN溶液中电化学还原30分钟，随后注入1mL带有BrD的干燥ACN, 以产生8mM的最终浓度。以100mV/s的扫描速率在0和-1.6V之间对Pt施加电势扫描，共30个周期。不锈钢支架的电化学条件与不锈钢平板相似，但在阴极预处理期间施加了-1.6V的电势，并持续15分钟。随后将BrD支架浸入带有ACN的超声波浴中处理15分钟，以去除多余的未结合物质，再用温和的氮气蒸汽干燥。（不晓得到了现在，真空电接枝技术上能达到嘛）

 图6 三层不锈钢支架涂层示意图。第一步，将BrD电还原至支架表面，第二步，将BrD涂层引发甲基丙烯酸甲酯MMA的原子转移自由基聚合（Atom-transfer radical polymerization, ATRP），最后一步则喷涂单层或双层带紫杉醇PTX的PBMA/PEVA

 图7 光学显微镜下球囊扩张充盈至3mm直径的不锈钢支架，（a）对照的B2支架；（b）三层处理后的PMMA-BrD支架；药物释放2周后的（c）B2支架的涂层分层，并变为白色（光反射是由于已经分层的聚合物层，从金属和缓冲层进入多孔基质所致），（d）PMMA-BrD支架的聚合物涂层形态几乎不变

图8 两种支架生理环境下14天后的SEM图像，（a）B2支架；（b）PMMA-BrD支架

因此我们晓得电接枝表面改性后的药物支架，涂层具有很高的柔韧，不易出现裂纹或分层，耐久性也更好。于是我们都知道唯一一个商业化的电接枝冠脉支架，来自本土创新，公布了许多与Cypher、Excel等支架头对头比较的结果，并证实冠脉中应用效果相当（不过当年的初代支架都好厚，到第二代钴铬才薄很多）。那么，残留就一个问题，如果不能解决携带Sirolimus类药物的问题，那么在电接枝技术自膨式支架上的应用也还蛮有限的。

图9 唯一国产电接枝冠脉药物支架（这个eG应即Electrografting之意，不晓得最新的颅内支架会如何）

图10 电接枝支架的涂层完整性的保持能力

本期得到了两位机械工程专业的朋友帮助，特此表示感谢。

引用文献：

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.