用于在医疗设备表面构建抗凝血涂层的通用模块化策略

《Biomaterials》：Universal modular strategy for constructing anticoagulant coatings on surfaces of medical devices

　　

摘要

植入物上的血栓非常危险，因此大多数与血液接触的设备都需要涂覆抗凝剂。目前，对于不同的基底材料，还没有一种通用的表面改性策略，这严重阻碍了与血液接触的医疗设备的有效研究和开发。在这里，我们提出了一种模块化策略，用于在包括聚合物、金属和非金属无机物在内的基底上构建抗凝涂层。受到生物免疫测定中一级抗体和二级抗体原理的启发，我们开发了一种通用的两模块改性方法：首先对各种基底进行表面活化，生成带有特定反应性功能团的带电表面；然后通过这些功能团将抗凝基团连接到基底上。使用12种基底材料验证了表面活化（如一级抗体的连接）的可行性；最终涂层分别用2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱聚合物和肝素制成，展示了其效果。在体外循环设备中测试了生物被动涂层的抗凝效果，在通过导管微创植入心脏的脑栓塞保护设备中测试了生物活性涂层的效果。这两种采用我们模块化策略制备的涂层都在体外和大型动物（羊或猪）中得到了验证。

引言

与血液接触的医疗设备，如血管导管、支架和移植物、人工瓣膜、心室辅助装置、人工肺、心肺旁路和氧合设备等，在临床治疗和延长生命方面被广泛使用[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]。这些设备大多由疏水性聚合物（如聚丙烯（PP）、聚碳酸酯（PC）、聚醚醚酮（PEEK）、聚酰胺（PA）和热塑性聚氨酯（TPU）以及亲水性金属（如镍钛合金和不锈钢）[8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16]制成。这些原材料的血液相容性通常不足，可能导致补体系统的激活、细胞炎症反应和设备相关的血栓形成，从而引发设备故障，甚至危及患者生命[8], [17], [18]。例如，在新生儿中，24.1%的呼吸室外膜氧合（ECMO）病例出现机械性血栓和回路组件凝结；在儿科中为13.2%，在成人中为3.7%。因此，各种与血液接触的医疗设备都需要抗凝涂层来防止血栓形成，这些涂层分为两类——生物活性涂层和生物被动涂层[20], [21], [22], [23], [24], [25]。生物活性抗凝涂层以肝素为代表（一种多糖[22], [25], [26]），而生物被动涂层则以白蛋白（一种蛋白质[27], [28]）和聚合后的2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱（MPC）合成聚合物为代表[29], [30], [31], [32], [33]。

到目前为止，还没有一种针对不同基底材料的通用抗凝剂表面改性策略，这严重阻碍了无血栓医疗设备的有效研究和开发。受到生物免疫测定中一级抗体和二级抗体原理的启发[34], 我们在本文提出了一种模块化抗凝涂层策略，其基本思路如图1所示。我们的想法已在12种基底材料上得到了验证，包括聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚甲基戊烯（PMP）、聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、PP、PC、TPU、PA、316L不锈钢、镍钛合金和氧化铝陶瓷。首先按照免疫学研究中制备一级抗体的逻辑进行表面活化；然后通过功能团将抗凝组分（肝素、MPC或其共聚物）共价连接到基底上。本文旨在报告这一模块化策略的概念验证。

章节摘录

化学品和试剂

所有化学品均为试剂级，并按原样使用。除非另有说明，水溶液均使用Milli-Q水配制。缩水甘油甲基丙烯酸酯（GMA）、2,2′-偶氮二（2-甲基丙腈）、亚硝酸、丙烯酸、硼氢化钠氰化物、甲苯胺蓝、庞塞乌亮蓝、氯化钙、无水甲醇、乙醇（75%）、无水乙醇、己烷和十二烷基硫酸钠均从Rhawn购买。盐酸和氢氧化钠来自Sinopharm Chemical Reagent。

“一级抗体”模块的构建

通过图2A中展示的12种基底材料的测试，证实了这一模块化策略的有效性。这些固体基底材料经氧等离子体、酸溶液或碱溶液处理后，生成了活性羟基和羧基，然后与PEI发生反应。通过庞塞乌亮蓝染色和XPS表征处理后的表面。除了3161L和镍钛合金由于其固有的颜色外，所有经过“一级抗体”改性的基底材料均被庞塞乌亮蓝染成红色。

讨论

生物材料和表面改性的最新进展促进了医疗设备和药物输送系统的发展[52], [53], [54], [55], [56], [57], [58]。过去几十年中，与血液接触的医疗设备在临床治疗中得到了广泛的应用[59], [60], [61], [62]。这些设备大多由疏水性聚合物或亲水性金属制成，但这些材料本身也可能导致设备相关的血栓形成[17], [18]。在医疗设备上涂覆抗凝剂

结论

我们建立了一种模块化的抗凝涂层策略，包括一级抗体类似模块和二级抗体类似模块。在一级抗体类似模块中，我们提出了对12种重要医疗材料进行等离子体处理和酸/碱溶液处理的方法，然后所有材料基底都用PEI接枝形成了氨基表面。在二级抗体类似模块中，我们引入了MPC（生物被动涂层）和肝素（生物活性涂层）。

CRediT作者贡献声明

吴思伟：方法学。李伟：方法学。饶军：方法学。丁建东：写作——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、资金获取、数据管理、概念化。姚瑶：方法学。康亚红：写作——审稿与编辑、撰写——初稿、方法学、研究、资金获取、数据管理。姜红岩：方法学。王伟杰：方法学、数据管理。卢新丽：方法学。李Zhaomin：方法学。方凯新：方法学。

利益冲突声明

声明Y.K.、W.W.、X.L.、K.F.、Q.T.、Q.J.、S.W.、W.L.、J.R.、Y.Y.、H.J.、Z.L.和C.Y.是上海微创医疗集团有限公司的员工。其他作者声明没有任何利益冲突。

数据可用性

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利益冲突声明

? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：丁建东报告获得了中国国家重点研发计划的财务支持；还获得了国家自然科学基金的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能影响工作的财务利益或个人关系。

致谢：

本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFC2410300）和国家自然科学基金（项目编号：52130302）的支持。

康亚红|王伟杰|卢新丽|方凯新|史道坤|唐全胜|吴文杰|金巧荣|吴思伟|李伟|饶军|姚瑶|姜红岩|李Zhaomin|岳成云|丁建东

复旦大学高分子科学系，中国上海，200438