生物高分子材料血液相容性的研究进展

生物高分子材料血液相容性的研究进展

生物材料是指与生物系统相结合，诊断、治疗或替换身体上的组织、器官或改善功能的材料。它分为天然聚合物材料和合成聚合物材料。生物高分子材料与机体接触,除要求具有相应的医用功能外,还必须具备良好的血液相容性,避免凝血、血栓形成及溶血等不良反应。本文介绍了机体的凝血机理及改善生物高分子材料血液相容性的方法。1凝血和抗凝血系统一般认为机体内存在凝血及抗凝两个对立的系统。凝血系统主要包括凝血因子和血小板;抗凝血系统主要包括肝素、抗凝血酶以及溶纤系统。后来人们发现补体系统在凝血过程中也起到重要的作用。1.1放大阶段spearingindex,sf1964年Macfarlane等提出了凝血的经典瀑布学说,20世纪90年代Davies和Broze分别对该学说进行了修正,将凝血过程分为启动和放大两个阶段。启动阶段是通过组织因子(TF)起效的外源性途径产生少量凝血酶;放大阶段是利用启动阶段产生的凝血酶激活血小板和内源途径的凝血因子,从而产生凝血。血栓是纤维蛋白和血液中某些有形成分发生交联,在血管内的沉着。当体内血栓与抗血栓两者形成机制的平衡被打破,产生血栓的因素增强或抗血栓机制减弱,血栓在体内形成。高分子材料进入体内与血液接触时被识别为异物,材料表面吸附血浆蛋白,首先形成蛋白吸附层,随后血小板在吸附层上粘附、聚集、活化,激活凝血系统,形成血栓。Sperling等制备了一系列自组单分子层(SAMs)来探索血液-材料接触时最初的凝血反应,实验结果显示,材料和血液接触时会引起血小板粘附和凝血系统活化。血小板和凝血系统两者协同起效产生凝血,在设计血液相容性材料时应仔细考虑两者间的相互作用。1.2抗凝剂的激活补体系统是指由大约30种存在于血清、组织液中的蛋白质共同组成的反应系统,主要功能是清除外来物质,一般通过经典途径、旁路途径或凝集素途径被激活。补体可以活化血小板、提高各类细胞中TF的表达、干预抗凝系统的抗凝机理,从而直接增强凝血性能,还能利用炎症反应间接产生凝血。当心血管支架植入体内后,补体蛋白C3与支架材料共价键合并在材料表面沉积,活化后续的补体蛋白,释放血小板激活因子,使血小板粘附、聚集。同时,激活的补体蛋白附着在血小板上,加大血小板的释放和聚集,从而导致血栓形成。1.3抗凝抗血栓治疗抗凝血系统主要包括肝素、抗凝血酶以及纤溶系统的酶等。抗凝血酶Ⅲ(ATⅢ)是机体内最重要的抗凝物,可以抑制凝血过程中丝氨酸蛋白酶的活性。当肝素与ATⅢ结合后,肝素起到辅助催化的作用,增强ATⅢ的抗凝活性。徐红辉利用肝素的抗凝抗血栓性能,在治疗中将依达拉奉与低分子肝素联合用药,对急性脑梗死有显著的疗效。纤溶系统通过纤溶酶达到抗凝作用,纤溶酶催化水解纤维蛋白凝块成为可溶的小肽,使血栓溶解;同时还可以水解凝血酶和个别凝血因子,阻断凝血途径。但是纤溶活性过高会使患者有出血倾向,有学者认为是凝血系统的活化而导致的,具体活化过程还有待研究。另外,组织因子途径抑制物(TFPI)和蛋白C系统(PC)也有抗凝血功能。TFPI是外源性途径的主要抑制剂,通过灭活外源性凝血因子Xa起效,抑制TF凝血途径,但是高亲和性的TFPI在血液中含量很少,只能延缓凝血反应。PC系统活化后与凝血因子键合,阻止内源性Xa形成,还可以增强纤溶酶的活性。2新型活化剂当材料与血液接触,最先发生血浆蛋白的吸附,蛋白吸附层影响血小板的粘附和活化,使材料表面易产生凝血。为了改善高分子材料的血液相容性,需从材料表面与血浆蛋白的相互作用入手对材料进行修饰改性,主要途径包括设计微相分离结构、化合物接枝、引入生物活性物质、材料表面内皮化等。2.1聚二甲基硅氧烷烷微相分离材料具有良好的抗凝血性,Nakajima曾提出覆盖控制假说来解释其抗凝血机理。当微相分离材料接触血液时,血浆蛋白根据亲水性不同,选择性地吸附到材料表面的不同微区,因而材料不被血小板识别为异物,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离结构,对纤维蛋白原有很低的吸附性。为进一步提高PU的生物相容性和化学稳定性,常将聚二甲基硅氧烷(PDMS)与PU制成共聚物。Majumdar等合成PDMS-PU涂层,PDMS含量为10%(质量分数)的涂层表面有明显的微相分离结构,表现出良好的血液相容性。而PDMS含量为20%和30%(质量分数)的涂层表面非常光滑,因为PDMS表面能很低,容易在膜面富集,因此很难观察到微相分离结构。有学者对上述问题进行了研究,利用两步溶液聚合法合成聚二甲基硅氧烷-4,4′-二苯基甲烷二异氰酸酯-聚乙二醇多嵌段共聚物(PDMS-MDI-PEG),用轻敲模式原子力显微镜(AFM)观察此共聚物膜面,结果显示当PDMS含量高于50%(质量分数)时,膜表面上仍存在清晰的纳米尺寸的微相分离结构。2.2抗蛋白质吸附表面的制备由于蛋白质和材料表面间相互作用的多样性,可以采用多种方法来制备阻抗蛋白质吸附表面。主要方法是在材料表面构建聚合物“刷子”遮蔽材料表面,对蛋白质的吸附形成障碍,主要有聚氧乙烯(PEO)、磷酰胆碱(PC)等。2.2.1pu-peo-so3PEO具有亲水性,易与水结合形成水合PEO,水合PEO可以通过空间位阻排斥血浆蛋白;由于PEO的柔顺性,水合PEO在材料表面运动,阻碍了蛋白质的粘附。用PEO接枝改性后的生物材料血液相容性有很大提高。但是接枝链密度、链长、链和蛋白质间的相互作用、蛋白的大小等因素都会影响PEO链对蛋白质的排斥作用。Y.H.Kim等将PU在丙磺酸内酯(PST)作用下与二异氰酸酯和PEO衍生物反应,生成PU-SO3、PU-PEO-SO3等共聚物。结果表明,PU-PEO-SO3表面最低血小板粘附量是富血小板血浆(PRP)的5%左右,吸附的蛋白质总量最低,且对白蛋白有特异性亲和力。但是在活化部分凝血活酶时间(APTT)评价的抗凝活性检测中,PU-PEO-SO3的抗凝活性只有肝素的2%,而PEO-SO3可达到14%,具有肝素类似物的抗凝活性。原因是PU-PEO-SO3表面-SO3浓度相对较低,而且PEO的柔顺性有所降低。2.2.2聚甲基型磷酰氯mpc表面含磷酰胆碱(PC)基团的聚合物可以抑制蛋白质的吸附,有两种理论模型可以解释这种性能:一种认为,通过形成血浆脂质双分子层阻止对蛋白质的吸附;另一种认为是材料表面形成的水合层,使蛋白质与材料表面接触时维持稳定的构型。但PC基团极强的亲水性使其易溶于水,难以满足使用要求。所以经常使用具有较好血液相容性的2-甲基-丙烯酰氧乙基磷酰胆碱(MPC)。用MPC类聚合物如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)涂布修饰PDMS,修饰后的材料用作微流装置吸附的蛋白质总量与未修饰前相比下降了56%~90%,制备的PDMS微流通道对血清蛋白的吸附也明显减少。王晓丽等通过Michael加成反应,使SS(处理后的361L不锈钢)表面上的氨基与MPC反应,清洗并真空干燥后形成SS-MPC表面。该表面上血小板粘附量降低了90%,且没有聚集和激活。2.2.3聚磺基甜菜碱甲基丙烯酸甲酯接枝MPC不易合成和处理,且其中的磷酸酯基易水解,而磺基甜菜碱(SB)和羧基甜菜碱(CB)具有良好的生物相容性,且稳定性好,易于制备。据报道,聚磺基甜菜碱甲基丙烯酸甲酯(PSBMA)“刷子”具有很好的血液相容性。PSB-MA接枝的材料能有效减少对血浆溶液中蛋白的吸附,目前尚未观察到PSBMA接枝表面会引起富血小板血浆溶液中血小板的粘附和活化。聚羧基甜菜碱甲基丙烯酸甲酯(PCB-MA)接枝的表面对人血浆中非特异蛋白的抗吸附能力比PSBMA接枝的表面更强,这是由于CBMA单体上的电荷基团间距更短,在表面形成一层更致密的水合层。2.3生物活性物质的引入在材料表面引入本身具有直接或间接抗凝血作用的生物活性分子,如肝素、水蛭素、ε-NH2赖氨酸等,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种硫酸化的多糖,能增强抗凝血酶对丝氨酸蛋白酶的抑制作用,常用作抗凝药。抗凝血酶Ⅲ是凝血系统中凝血酶的主要抑制剂,但两者的反应速度较慢,肝素的存在可以加快反应速度,有效抑制凝血。采用一步法合成脂肪族聚氨酯,通过共价键在其表面接枝肝素,并进行血液相容性测定。实验显示肝素化聚氨酯(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,且没有聚集激活。LDL(低密度脂蛋白)血液净化疗法中,为了制备一种LDL选择性医用吸附材料,将肝素共价键合到聚乙烯醇表面,可以获得良好的血液相容性。血液相容性的指标如溶血率、凝血酶原时间和凝血时间都符合对抗凝材料的规定,且该材料表面几乎没有血小板粘附,可以作为血液净化吸附材料。2.3.2酶原-t-pa-纤维素三元混合物pu的制备纤溶酶原和组织型纤溶酶原激活剂(t-PA),分别通过自身的赖氨酸结合点(LBS)高亲和地键合到纤维蛋白羧基端的赖氨酸残基上,形成纤溶酶原-(t-PA)-纤维蛋白三元复合物。这种三元复合物可促进纤溶酶原向纤溶酶的转变,同时保护纤溶酶不被α2-抗纤溶酶抑制。以PU为基材,通过PEG将ε-NH2赖氨酸接枝到PU表面,改性后的PU膜吸附纤维蛋白原的量相对于改性前降低了80%左右,而膜面上血栓形成13min后即可完全溶解。这种改性方法将PEG对血浆蛋白的排斥作用与ε-NH2赖氨酸吸附纤溶酶原的能力相结合,使材料的血液相容性得到明显改善。2.4ec对人工血管内皮化的影响材料表面内皮化是抗凝血研究的新趋势。在人体内,内皮细胞(EC)在血管壁和血液间形成一个抗凝血和抗血栓的屏障层,阻止血小板的粘附聚集,防止凝血。因此与血液接触的血管内壁有很好的血液相容性。1970年Mansfield在涤纶上种植EC后将涤纶植入到狗的动脉系统,3周后发现材料表面没有形成血栓。Herring等进一步证实了EC种植到人工血管材料表面可以形成完整的内膜,由此引导了人工血管内皮化的研究。国内有学者研究了小口径人造血管(直径小于6mm)管腔易形成血栓的问题。用PU作小口径血管,血管表面种植EC使PU材料内皮化,形成抗血栓表层,既可以提高血管的通畅率,又提高了材料的血液相容性。目前内皮化技术的应用中存在着EC与材料的粘附性以及EC的来源等问题。GuixueWang等用新型的细胞摇床培养技术培养人类脐血管EC,研究了EC培养的最优条件,以及人工血管在体内所受到的剪应力等问题,但是在临床中应用内皮化人工血管还需要更深入的研究。3生物高分子材料的研究和改性途径生物高分子材料广泛应用于