生物高分子材料血液相容性的研究進(jìn)展

生物高分子材料血液相容性的研究進(jìn)展

生物材料是指與生物系統(tǒng)相結(jié)合，診斷、治療或替換身體上的組織、器官或改善功能的材料。它分為天然聚合物材料和合成聚合物材料。生物高分子材料與機(jī)體接觸,除要求具有相應(yīng)的醫(yī)用功能外,還必須具備良好的血液相容性,避免凝血、血栓形成及溶血等不良反應(yīng)。本文介紹了機(jī)體的凝血機(jī)理及改善生物高分子材料血液相容性的方法。1凝血和抗凝血系統(tǒng)一般認(rèn)為機(jī)體內(nèi)存在凝血及抗凝兩個(gè)對(duì)立的系統(tǒng)。凝血系統(tǒng)主要包括凝血因子和血小板;抗凝血系統(tǒng)主要包括肝素、抗凝血酶以及溶纖系統(tǒng)。后來人們發(fā)現(xiàn)補(bǔ)體系統(tǒng)在凝血過程中也起到重要的作用。1.1放大階段spearingindex,sf1964年Macfarlane等提出了凝血的經(jīng)典瀑布學(xué)說,20世紀(jì)90年代Davies和Broze分別對(duì)該學(xué)說進(jìn)行了修正,將凝血過程分為啟動(dòng)和放大兩個(gè)階段。啟動(dòng)階段是通過組織因子(TF)起效的外源性途徑產(chǎn)生少量凝血酶;放大階段是利用啟動(dòng)階段產(chǎn)生的凝血酶激活血小板和內(nèi)源途徑的凝血因子,從而產(chǎn)生凝血。血栓是纖維蛋白和血液中某些有形成分發(fā)生交聯(lián),在血管內(nèi)的沉著。當(dāng)體內(nèi)血栓與抗血栓兩者形成機(jī)制的平衡被打破,產(chǎn)生血栓的因素增強(qiáng)或抗血栓機(jī)制減弱,血栓在體內(nèi)形成。高分子材料進(jìn)入體內(nèi)與血液接觸時(shí)被識(shí)別為異物,材料表面吸附血漿蛋白,首先形成蛋白吸附層,隨后血小板在吸附層上粘附、聚集、活化,激活凝血系統(tǒng),形成血栓。Sperling等制備了一系列自組單分子層(SAMs)來探索血液-材料接觸時(shí)最初的凝血反應(yīng),實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,材料和血液接觸時(shí)會(huì)引起血小板粘附和凝血系統(tǒng)活化。血小板和凝血系統(tǒng)兩者協(xié)同起效產(chǎn)生凝血,在設(shè)計(jì)血液相容性材料時(shí)應(yīng)仔細(xì)考慮兩者間的相互作用。1.2抗凝劑的激活補(bǔ)體系統(tǒng)是指由大約30種存在于血清、組織液中的蛋白質(zhì)共同組成的反應(yīng)系統(tǒng),主要功能是清除外來物質(zhì),一般通過經(jīng)典途徑、旁路途徑或凝集素途徑被激活。補(bǔ)體可以活化血小板、提高各類細(xì)胞中TF的表達(dá)、干預(yù)抗凝系統(tǒng)的抗凝機(jī)理,從而直接增強(qiáng)凝血性能,還能利用炎癥反應(yīng)間接產(chǎn)生凝血。當(dāng)心血管支架植入體內(nèi)后,補(bǔ)體蛋白C3與支架材料共價(jià)鍵合并在材料表面沉積,活化后續(xù)的補(bǔ)體蛋白,釋放血小板激活因子,使血小板粘附、聚集。同時(shí),激活的補(bǔ)體蛋白附著在血小板上,加大血小板的釋放和聚集,從而導(dǎo)致血栓形成。1.3抗凝抗血栓治療抗凝血系統(tǒng)主要包括肝素、抗凝血酶以及纖溶系統(tǒng)的酶等?？鼓涪?ATⅢ)是機(jī)體內(nèi)最重要的抗凝物,可以抑制凝血過程中絲氨酸蛋白酶的活性。當(dāng)肝素與ATⅢ結(jié)合后,肝素起到輔助催化的作用,增強(qiáng)ATⅢ的抗凝活性。徐紅輝利用肝素的抗凝抗血栓性能,在治療中將依達(dá)拉奉與低分子肝素聯(lián)合用藥,對(duì)急性腦梗死有顯著的療效。纖溶系統(tǒng)通過纖溶酶達(dá)到抗凝作用,纖溶酶催化水解纖維蛋白凝塊成為可溶的小肽,使血栓溶解;同時(shí)還可以水解凝血酶和個(gè)別凝血因子,阻斷凝血途徑。但是纖溶活性過高會(huì)使患者有出血傾向,有學(xué)者認(rèn)為是凝血系統(tǒng)的活化而導(dǎo)致的,具體活化過程還有待研究。另外,組織因子途徑抑制物(TFPI)和蛋白C系統(tǒng)(PC)也有抗凝血功能。TFPI是外源性途徑的主要抑制劑,通過滅活外源性凝血因子Xa起效,抑制TF凝血途徑,但是高親和性的TFPI在血液中含量很少,只能延緩凝血反應(yīng)。PC系統(tǒng)活化后與凝血因子鍵合,阻止內(nèi)源性Xa形成,還可以增強(qiáng)纖溶酶的活性。2新型活化劑當(dāng)材料與血液接觸,最先發(fā)生血漿蛋白的吸附,蛋白吸附層影響血小板的粘附和活化,使材料表面易產(chǎn)生凝血。為了改善高分子材料的血液相容性,需從材料表面與血漿蛋白的相互作用入手對(duì)材料進(jìn)行修飾改性,主要途徑包括設(shè)計(jì)微相分離結(jié)構(gòu)、化合物接枝、引入生物活性物質(zhì)、材料表面內(nèi)皮化等。2.1聚二甲基硅氧烷烷微相分離材料具有良好的抗凝血性,Nakajima曾提出覆蓋控制假說來解釋其抗凝血機(jī)理。當(dāng)微相分離材料接觸血液時(shí),血漿蛋白根據(jù)親水性不同,選擇性地吸附到材料表面的不同微區(qū),因而材料不被血小板識(shí)別為異物,阻止了血小板的粘附、聚集。聚氨酯(PU)材料具有良好的微相分離結(jié)構(gòu),對(duì)纖維蛋白原有很低的吸附性。為進(jìn)一步提高PU的生物相容性和化學(xué)穩(wěn)定性,常將聚二甲基硅氧烷(PDMS)與PU制成共聚物。Majumdar等合成PDMS-PU涂層,PDMS含量為10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的涂層表面有明顯的微相分離結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出良好的血液相容性。而PDMS含量為20%和30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的涂層表面非常光滑,因?yàn)镻DMS表面能很低,容易在膜面富集,因此很難觀察到微相分離結(jié)構(gòu)。有學(xué)者對(duì)上述問題進(jìn)行了研究,利用兩步溶液聚合法合成聚二甲基硅氧烷-4,4′-二苯基甲烷二異氰酸酯-聚乙二醇多嵌段共聚物(PDMS-MDI-PEG),用輕敲模式原子力顯微鏡(AFM)觀察此共聚物膜面,結(jié)果顯示當(dāng)PDMS含量高于50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),膜表面上仍存在清晰的納米尺寸的微相分離結(jié)構(gòu)。2.2抗蛋白質(zhì)吸附表面的制備由于蛋白質(zhì)和材料表面間相互作用的多樣性,可以采用多種方法來制備阻抗蛋白質(zhì)吸附表面。主要方法是在材料表面構(gòu)建聚合物“刷子”遮蔽材料表面,對(duì)蛋白質(zhì)的吸附形成障礙,主要有聚氧乙烯(PEO)、磷酰膽堿(PC)等。2.2.1pu-peo-so3PEO具有親水性,易與水結(jié)合形成水合PEO,水合PEO可以通過空間位阻排斥血漿蛋白;由于PEO的柔順性,水合PEO在材料表面運(yùn)動(dòng),阻礙了蛋白質(zhì)的粘附。用PEO接枝改性后的生物材料血液相容性有很大提高。但是接枝鏈密度、鏈長(zhǎng)、鏈和蛋白質(zhì)間的相互作用、蛋白的大小等因素都會(huì)影響PEO鏈對(duì)蛋白質(zhì)的排斥作用。Y.H.Kim等將PU在丙磺酸內(nèi)酯(PST)作用下與二異氰酸酯和PEO衍生物反應(yīng),生成PU-SO3、PU-PEO-SO3等共聚物。結(jié)果表明,PU-PEO-SO3表面最低血小板粘附量是富血小板血漿(PRP)的5%左右,吸附的蛋白質(zhì)總量最低,且對(duì)白蛋白有特異性親和力。但是在活化部分凝血活酶時(shí)間(APTT)評(píng)價(jià)的抗凝活性檢測(cè)中,PU-PEO-SO3的抗凝活性只有肝素的2%,而PEO-SO3可達(dá)到14%,具有肝素類似物的抗凝活性。原因是PU-PEO-SO3表面-SO3濃度相對(duì)較低,而且PEO的柔順性有所降低。2.2.2聚甲基型磷酰氯mpc表面含磷酰膽堿(PC)基團(tuán)的聚合物可以抑制蛋白質(zhì)的吸附,有兩種理論模型可以解釋這種性能:一種認(rèn)為,通過形成血漿脂質(zhì)雙分子層阻止對(duì)蛋白質(zhì)的吸附;另一種認(rèn)為是材料表面形成的水合層,使蛋白質(zhì)與材料表面接觸時(shí)維持穩(wěn)定的構(gòu)型。但PC基團(tuán)極強(qiáng)的親水性使其易溶于水,難以滿足使用要求。所以經(jīng)常使用具有較好血液相容性的2-甲基-丙烯酰氧乙基磷酰膽堿(MPC)。用MPC類聚合物如PMB(聚MPC-甲基丙烯酸正丁酯)和PMED(聚MPC-甲基丙烯酸-2-乙基己酯-N,N-2-甲基乙胺酯)涂布修飾PDMS,修飾后的材料用作微流裝置吸附的蛋白質(zhì)總量與未修飾前相比下降了56%~90%,制備的PDMS微流通道對(duì)血清蛋白的吸附也明顯減少。王曉麗等通過Michael加成反應(yīng),使SS(處理后的361L不銹鋼)表面上的氨基與MPC反應(yīng),清洗并真空干燥后形成SS-MPC表面。該表面上血小板粘附量降低了90%,且沒有聚集和激活。2.2.3聚磺基甜菜堿甲基丙烯酸甲酯接枝MPC不易合成和處理,且其中的磷酸酯基易水解,而磺基甜菜堿(SB)和羧基甜菜堿(CB)具有良好的生物相容性,且穩(wěn)定性好,易于制備。據(jù)報(bào)道,聚磺基甜菜堿甲基丙烯酸甲酯(PSBMA)“刷子”具有很好的血液相容性。PSB-MA接枝的材料能有效減少對(duì)血漿溶液中蛋白的吸附,目前尚未觀察到PSBMA接枝表面會(huì)引起富血小板血漿溶液中血小板的粘附和活化。聚羧基甜菜堿甲基丙烯酸甲酯(PCB-MA)接枝的表面對(duì)人血漿中非特異蛋白的抗吸附能力比PSBMA接枝的表面更強(qiáng),這是由于CBMA單體上的電荷基團(tuán)間距更短,在表面形成一層更致密的水合層。2.3生物活性物質(zhì)的引入在材料表面引入本身具有直接或間接抗凝血作用的生物活性分子,如肝素、水蛭素、ε-NH2賴氨酸等,可以提高材料的血液相容性。2.3.1脂肪族聚氨酯的合成肝素是一種硫酸化的多糖,能增強(qiáng)抗凝血酶對(duì)絲氨酸蛋白酶的抑制作用,常用作抗凝藥?？鼓涪笫悄到y(tǒng)中凝血酶的主要抑制劑,但兩者的反應(yīng)速度較慢,肝素的存在可以加快反應(yīng)速度,有效抑制凝血。采用一步法合成脂肪族聚氨酯,通過共價(jià)鍵在其表面接枝肝素,并進(jìn)行血液相容性測(cè)定。實(shí)驗(yàn)顯示肝素化聚氨酯(PU-PVA-PEO-Hep)的溶血率有很大程度降低,材料表面只有少量血小板粘附,且沒有聚集激活。LDL(低密度脂蛋白)血液凈化療法中,為了制備一種LDL選擇性醫(yī)用吸附材料,將肝素共價(jià)鍵合到聚乙烯醇表面,可以獲得良好的血液相容性。血液相容性的指標(biāo)如溶血率、凝血酶原時(shí)間和凝血時(shí)間都符合對(duì)抗凝材料的規(guī)定,且該材料表面幾乎沒有血小板粘附,可以作為血液凈化吸附材料。2.3.2酶原-t-pa-纖維素三元混合物pu的制備纖溶酶原和組織型纖溶酶原激活劑(t-PA),分別通過自身的賴氨酸結(jié)合點(diǎn)(LBS)高親和地鍵合到纖維蛋白羧基端的賴氨酸殘基上,形成纖溶酶原-(t-PA)-纖維蛋白三元復(fù)合物。這種三元復(fù)合物可促進(jìn)纖溶酶原向纖溶酶的轉(zhuǎn)變,同時(shí)保護(hù)纖溶酶不被α2-抗纖溶酶抑制。以PU為基材,通過PEG將ε-NH2賴氨酸接枝到PU表面,改性后的PU膜吸附纖維蛋白原的量相對(duì)于改性前降低了80%左右,而膜面上血栓形成13min后即可完全溶解。這種改性方法將PEG對(duì)血漿蛋白的排斥作用與ε-NH2賴氨酸吸附纖溶酶原的能力相結(jié)合,使材料的血液相容性得到明顯改善。2.4ec對(duì)人工血管內(nèi)皮化的影響材料表面內(nèi)皮化是抗凝血研究的新趨勢(shì)。在人體內(nèi),內(nèi)皮細(xì)胞(EC)在血管壁和血液間形成一個(gè)抗凝血和抗血栓的屏障層,阻止血小板的粘附聚集,防止凝血。因此與血液接觸的血管內(nèi)壁有很好的血液相容性。1970年Mansfield在滌綸上種植EC后將滌綸植入到狗的動(dòng)脈系統(tǒng),3周后發(fā)現(xiàn)材料表面沒有形成血栓。Herring等進(jìn)一步證實(shí)了EC種植到人工血管材料表面可以形成完整的內(nèi)膜,由此引導(dǎo)了人工血管內(nèi)皮化的研究。國(guó)內(nèi)有學(xué)者研究了小口徑人造血管(直徑小于6mm)管腔易形成血栓的問題。用PU作小口徑血管,血管表面種植EC使PU材料內(nèi)皮化,形成抗血栓表層,既可以提高血管的通暢率,又提高了材料的血液相容性。目前內(nèi)皮化技術(shù)的應(yīng)用中存在著EC與材料的粘附性以及EC的來源等問題。GuixueWang等用新型的細(xì)胞搖床培養(yǎng)技術(shù)培養(yǎng)人類臍血管EC,研究了EC培養(yǎng)的最優(yōu)條件,以及人工血管在體內(nèi)所受到的剪應(yīng)力等問題,但是在臨床中應(yīng)用內(nèi)皮化人工血管還需要更深入的研究。3生物高分子材料的研究和改性途徑生物高分子材料廣泛應(yīng)用于