第三节　材料表面涂层技术

体外循环过程中血液与人工材料表面接触引起蛋白的吸附,激活凝血、纤溶、激肽、补体和细胞因子等出凝血“瀑布”和炎症反应体系。与此同时,血液有形成分被激活或在材料表面沉积,进一步放大炎症反应,对机体和器官功能产生不利影响。因此,体外循环材料需要良好的血液相容性。通过改变材料表面的性质和结构来提高材料的血液相容性是材料学研究的热点。尽管选择的材料生物相容性较好,但是不能等同于血管内皮,仍然存在血液相容性不足的问题。肝素涂层技术最早用于材料表面的改性,该技术的最初应用是为了改善体外循环引起的凝血反应。但随着研究的进展,人们发现肝素涂层还具有抑制血液成分激活、减少炎性因子释放等特性,能显著缓解体外循环的全身炎性反应。涂层技术因而成为材料血液相容性的重要研究方向。目前市场上已有多种肝素涂层产品,其成分和原理不尽相同；同时,各种非肝素涂层的涂层技术也已投入临床使用。

一、肝素涂层

（一）肝素涂层的作用

肝素是一种富含阴离子,由氨基葡萄糖、葡萄糖醛酸和硫酸聚合而成的酸性黏多糖,一般分子量为3000～40 000道尔顿,通过增强抗凝血酶Ⅲ的作用发挥抗凝作用。肝素涂层技术不仅在材料局部产生抗凝作用,还有利于血浆蛋白的选择性黏附,在材料表面快速形成血液相容性假膜。一些研究发现,人工材料表面沉积的血浆蛋白,如凝血因子Ⅻ、纤维蛋白原、透明结合蛋白、高分子量激肽原等均在提高抗凝活性中起到重要作用。

而另一些研究显示,肝素涂层能够改善生物相容性,阻断补体激活。Viden等用肝素涂层材料转流2小时,发现C3a是对照组的29%,C5～9为对照组的22%。Mollues等的结果显示,使用肝素涂层的患者在体外循环过程中C5a增高幅度明显比未使用肝素涂层材料的患者低。Wuillem等研究表明肝素能够通过抑制C1进一步加强对C1r和C1s的抑制作用。表明肝素涂层技术对于补体激活的旁路途径和经典途径均有抑制作用。肝素涂层技术在抑制补体激活的同时也降低白细胞的活化,减弱白细胞整合素和选择素反应,一些实验数据显示肝素涂层的体外循环装置降低各种细胞因子的释放。

（二）肝素与材料表面的结合

工业制造技术推动了肝素涂层材料的批量生产。肝素作为一种酸性黏多糖,与各种高分子材料表面结合的方式有离子键结合方式、共价键结合方式以及两种方式的组合。

1.离子键结合方式

利用肝素本身含有大量负电荷的属性,在高分子材料表面引入带正电荷的季胺基团耦联剂、表面活性剂或含有阳离子的聚合物,再与肝素作用,使材料表面靠离子键作用形成肝素化层,例如,DurafloⅡ肝素涂层就采用这种离子键结合技术。当涂层材料与血液接触时,由于离子键结合的不稳定性,具有亲和力的白蛋白等血浆大分子物质可以同肝素结合而导致肝素分子脱落。研究表明,即使在短期体外循环中,离子键结合方式的肝素化管道有10%的肝素在早期脱落。由于此种涂层技术的抗凝血活性主要来源于释放的肝素,使这种脱落效应具有重要意义。常用这种方法处理聚乙烯、聚氨酯、醋酸乙烯-乙烯共聚物导管,抗凝血性能良好。但离子键结合方式的肝素分子有脱落效应,所以仅能短期使用。

2.共价键结合方式

为改善肝素结合的稳定性,防止肝素分子脱落,采用共价键方式结合肝素。该方式可以从材料和肝素两方面改变其特性,从而促进肝素与材料的结合。从材料表面处理,暴露出-CNS基、-NH2基、-OH基等特异性活性基团,与肝素分子的-OH基作用来固定肝素。从肝素着手,通过一种可控制的亚硝酸降解步骤来活化肝素,使肝素分子产生一个终端自由醛基,这种类型的肝素可以通过氧化还原作用与谷氨酸二醛发生化学还原反应,将肝素以共价键方式固定于含氨基的材料表面。由于肝素具有大量功能性基团,往往与材料表面的结合过于牢固,或者其活性五碳糖序列部分也与生物材料表面结合,容易导致部分肝素分子失去活性。所以,该方式也存在一定的不足。有学者同时采用离子键和共价键结合的方式来改善共价键可能对于肝素活性的影响。

（三）肝素涂层材料

1.Carmeda肝素涂层

Carmeda肝素涂层的氧合器在临床应用已有十余年。首先在生物材料表面制备一种含氨基的离子复合物,再通过化学方法使肝素分子产生一个自由醛基,然后两者以共价键方式结合在一起,从而使肝素固定在材料表面(图3-3-1)。虽然这种肝素分子在制造过程中已发生部分降解,导致在溶液中的催化活性降低,但由于与生物材料表面的结合部位适当,各种实验和临床研究均显示出这种涂层方法的优点:降低体液、细胞激活,尤其减少了补体系统激活。此外,还发现这种涂层表面可减少氧自由基的产生,抑制纤溶酶原激活物的释放,使白细胞黏附分子表达降低,临床显示住院天数缩短,并降低脑部并发症。

2.DurofloⅡ肝素涂层

DurofloⅡ的核心是离子键结合的肝素-洁尔灭混合物。就离子键结合方式而言,其与高分子材料表面具有相对牢固的结合。DurofloⅡ肝素涂层能够减少纤维蛋白原的吸附、血小板的激活,并且同抗凝血酶Ⅲ相互作用,抑制凝血因子Ⅻ和激肽等一些早期激活的接触酶,从而减少凝血、补体、纤溶系统的激活,进而减轻全身炎症反应。欧洲多个研究中心对886例体外循环心脏手术的患者的研究发现,DurofloⅡ涂层管道缩短了术后ICU停留时间,降低了肾功能、肺功能不全的发生率。表明重症患者使用DurofloⅡ涂层管道具有保护肾和肺功能的作用。

3.BioLine肝素涂层

BioLine肝素涂层是高分子量肝素与固定的多肽基质相结合的产物(图3-3-2)。这种多肽结合在亲水面和疏水面均存在,因而肝素和固定多肽基质之间的离子键和共价键作用使肝素分子结合牢固。同时,这种肝素分子与多肽基质之间的特殊连接还保留了肝素的活性序列。这种多肽层可以在多种人工材料表面上应用,包括聚丙烯、聚乙烯、硅胶以及金属、玻璃和陶瓷等。经过涂层处理的材料可以减少细胞和血浆成分的激活,保护血小板和白细胞的功能。临床研究结果表明,BioLine肝素涂层与未涂层材料相比,在白细胞和补体激活、促炎性介质释放等方面具有明显优势。

4.Corline肝素涂层

主要成分为大分子肝素共轭体,由70个肝素分子连结而成,含有大量的阴离子基团,与阳离子材料表面以共价键结合。线性的聚胺分子为肝素共轭体的稀释液,保证了肝素共轭体与材料表面的平整结合,使得多数肝素分子链朝向血液界面,从而发挥抗凝作用。

5.Trilium肝素涂层

主要成分为肝素分子、硫酸盐/磺酸盐基团、聚氧化乙烯(poly ethylene oxide,PEO)和亲水性基质层,以共价键结合,模拟内皮细胞特点。肝素分子具有和内皮细胞表面的硫酸肝素相同的抗凝血作用；涂层中的硫酸盐/磺酸盐基团带有与内皮细胞相似的负电荷,可以排斥携带负电荷的血小板；PEO具有极强的亲水性,在血液与材料表面之间建立起一层绝缘水层,阻止细胞和蛋白质附着；亲水性基质层与材料结合紧密,避免涂层脱落。实验和临床研究显示Trilium肝素涂层能够减少粒细胞、血小板的激活和血栓的形成(图3-3-3),维持血小板数量,降低血制品用量。

二、非肝素涂层

肝素涂层材料存在肝素的脱落和蛋白覆盖现象,长时间使用,肝素涂层的效率下降,再加上有一小部分患者不适合使用肝素,因此非肝素涂层材料也是众多学者和厂家研究的重点。非肝素涂层材料可以分为生物活性和生物惰性涂层,前者主要是释放一氧化氮的涂层材料,后者主要是模仿血管内皮负电荷和(或)亲水性界面特性的涂层材料。

（一）释放一氧化氮（NO）的涂层材料

NO是内源性的血小板抑制剂和血管扩张剂,由血管内皮生成。释放NO的涂层材料在国外已研究十年余,涂层材料释放出来的NO能够调节血小板膜上的糖蛋白、P选择素,影响单核细胞的整合素和CD11。然而涂层材料携带的NO供体有限,NO的释放只适合短时间体外循环。为保证NO的持续释放,需要利用内源性的物质,人体内NO前体物质有:有机硝酸盐、二醇二氮烯和亚硝基硫醇(RSNO)等。生理性的RSNO有S-亚硝基谷胱甘肽和亚硝基血红蛋白,其他合成的RSNO有S-亚硝基-N-乙酰基-L-半胱氨酸(SNAC)、S-亚硝基-N-乙酰青霉胺(SNAP)。

产生NO的多聚体具有固定的催化物,例如铜纳米颗粒或铜离子,能够在材料与血液的界面上释放循环中RSNO中的NO。有学者在释放NO涂层材料的动物实验中,静脉持续应用SNAP,能保持材料表面一定浓度的NO含量。尝试将NO的前体掺杂在聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯基吡咯烷酮等材料之中,但容易分解,半衰期短,不适宜临床使用,研究显示SNAP与elasteon polymer(一种混合共聚物,软段的共聚物是聚硅氧烷和聚六亚甲基氧化物,硬段的共聚物是亚甲基二苯基异氰酸酯)结合,能够缓慢释放NO,保持2个月。密歇根大学的学者研究释放NO的涂层材料,采用二醇二氮烯翁二乙二胺和聚氨酯结合,通过正己烷二氯甲烷连接抗凝剂阿加曲斑,经过实验,显示良好的血液相容性,该材料还在实验阶段。

（二）X涂层

该涂层的主要成分是聚2-甲氧基丙烯酸(poly-2-methoxyethyl acrylate,PMEA)。该聚合物是一种两性分子多聚体,同时具有亲水性和疏水性(图3-3-4)。PMEA与材料的接触面呈疏水性,与血液的接触面呈亲水性。血液中的水分子在涂层的亲水界面中聚集,形成一个水与血液成分的隔离层。因此蛋白质结构不容易改变,血小板也不容易黏附和激活。该涂层对原材料的物理特性没有影响,可以运用在各种材料表面。临床研究显示,PMEA可以抑制血浆蛋白的黏附、白细胞和补体的激活,保护血小板的功能。与肝素涂层不同的是PMEA防止血小板的聚集,而肝素涂层主要抑制血小板的黏附和纤维蛋白的变性。

（三）Mimesys涂层

红细胞膜的双层脂质结构呈极性分布,外层脂质为电中性,含有磷酸胆碱,具有抗凝特性(图3-3-5)。国外研究人员将甲基丙烯酸-磷酸胆碱/月桂基-甲基丙烯酸共聚物制成Mimesys涂层,其主要成分是磷酸胆碱,与合成材料牢固结合,模拟双层脂质结构,阻止蛋白质黏附和变性。一些临床研究显示,Mimesys涂层的氧合器能够减少术中血栓的形成,减少血小板和纤维蛋白原的消耗,但是与肝素涂层材料的氧合器没有显著差异。

（四）SMARxT涂层

主要成分为硅/己内酰胺共聚物,与材料表面相互作用,形成亲水域和疏水域相嵌合的微相结构,可以同时和纤维蛋白原的所有激活位点结合,从而避免血小板和其他蛋白质引起的活化(图3-3-6)。临床结果显示该涂层技术可以保护血小板数量和功能,减少纤溶系统的激活和凝血酶的生成,降低出血和血制品用量。

（五）Safeline涂层

主要成分为白蛋白,通过范德华力与材料表面结合,使涂层表面光滑平整,并呈亲水性,能够抑制血浆蛋白质黏附,阻止血液级联式反应(图3-3-7)。

（六）Softline涂层

Softline涂层是将Safeline和Bioline两项技术结合在一起的一种生物惰性涂层,能有效降低材料与血液接触时的表面张力,减少细胞黏附和活化。

（七）Balance涂层

模仿血管内皮细胞的关键特性,在材料表面形成亲水层,涂层材料中含有硫酸盐/磺酸盐基团,带有与内皮细胞相同的负电荷,可以排斥携带负电荷的血小板,削弱血栓形成的进程；聚氧化乙烯(PEO)是一种亲水性物质,在血液和材料之间形成“绝缘”水层,阻止细胞黏附和蛋白质沉积。其特性与Trilium肝素涂层相似,仅是缺少了肝素的成分。

三、小结

各种涂层技术因为制作原理和工艺的差异,其性能各不相同,但血液相容性的作用非常接近,临床上使用的任何一种涂层技术并没有显著优异于其他涂层技术,对于临床预后和能否减少肝素用量还存在不同的观点,并且发现涂层材料对于药物的吸收有一定的影响。尽管如此,涂层技术应用于体外循环已有30余年,在欧美发达国家,带有涂层材料的体外循环装置已广泛用于常规心脏手术中。随着进口带涂层的体外循环产品进入国内市场,国内许多心脏中心已使用带涂层材料,但国内生产企业在涂层领域还很薄弱。目前所使用的各种涂层材料并不能完全避免血液系统激活,理想的血液相容性材料应该是完全模拟内皮功能的智能材料,其研制仍在探索中。

（周成斌）