CN101411895A - 具有高度血液相容性的仿红血细胞膜 - Google Patents

Abstract

一种具有高度血液相容性的仿红血细胞膜，用医用聚氯乙烯和磷酰基胆碱高分子聚合物作为原料，将磷酰基胆碱高分子聚合物固定于医用聚氯乙烯基底的表面后形成具有高度血液相容性的仿红血细胞膜。本发明得到的仿红血细胞膜与人血接触30分钟后，表面保持光滑，干净并无凝血现象，显示出优良的表面抗凝血性。

Description

具有高度血液相容性的仿红血细胞膜

技术领域

本发明涉及一种具有高度血液相容性的仿红血细胞膜，主要用于粘附在各种人造器官(人造血管、人造骨骼、眼球晶体和植入式牙齿等)、各种植入式治疗器具(心脏起搏器、冠动脉支架、胰岛素胶囊、美容整容填充材料等)、ICU(Intensive Care Unit，重症监护病房)临床实时监测装置(植入式传感器、医用导管)以及与生物体的直接创伤接触的用品和材料的表面，使之与血液具有生物相容性。

背景技术

随着现代医学的发展，越来越多的植入式装置和人造器官从实验室研究进入临床应用。这些植入式装置和人造器官是直接植入人体的，所以它们除了必须可靠地工作以维持特定的生理功能外，还必须和它们所处的生物环境长期相容。

目前用于制作植入式装置和人造器官的材料有无机材料，如：不锈钢、贵金属和陶瓷等；高分子有机材料，如：涤纶、聚氯乙烯、聚碳酸酯和聚丙烯酸酯等。这些材料在通常的环境中一般都有优良的机械性能、耐化学性及热稳定性，已经在一些植入式装置和人造器官上获得了成功。然而当它们长期处于体内复杂的生物化学环境中，则有可能被腐蚀、被降解，或者被血液中的蛋白质、血小板吸附在其表面，形成凝血层，从而不仅使它们承担的生理功能衰退或完全散失，甚至在某些情况下，因表面形成的凝血层脱落，并进入血液循环系统形成血栓，阻塞血管，以致引起严重后果。因此在研制和开发植入式装置及人造器官中，很重要的一个问题就是要解决材料表面的抗凝血性。

当植入式装置和人造器官等外来物进入人体时，立即与血液和其他体液接触，外来物表面和血液间的界面上会发生极其复杂的物理和生物化学反应。首先是血浆蛋白质在界面上沉积和吸附，这个过程比较短暂，只需5分钟左右之后，沉积厚度便没有显著增加。其中血小板的聚集是紧随血浆蛋白质吸附层的形成而开始的，当外来物和血液接触1分钟后(此时蛋白质层的厚度为10～20纳米)血小板开始粘附在界面上，并发生形态变化(更扁平)，在二磷酸腺苷和其他物质参与下，更多血小板粘附并聚集起来，随着纤维网状的形成，凝血层便开始形成。凝血层实质是融合聚集后的血小板加上不溶性纤维和血细胞的结合体。上述过程的结果可能造成经心脏支架扩张后的冠状动脉再次堵塞、植入眼睛的人造晶体表面透光度降低、在ICU重症病房中进行实时监测的植入式生物传感器灵敏度下降乃至失效、整容材料与组织的接触面感染发炎等。

在凝血层形成过程中，蛋白质的吸附对血液中各成分尤其是血小板的聚集起着激化作用，因此外来物的材料是否具有良好的抗凝血性，取决于蛋白质的沉积和吸附作用大小。血浆蛋白质有很多种类，如γ-球蛋白，纤维蛋白元以及促凝血酶等。一般来说，易于吸收纤维蛋白元和γ-球蛋白的表面属易凝血的材料，而易吸收白蛋白的表面多属抗凝血材料。故而，如果人造材料能有效地排斥蛋白质吸附，则它抵制血小板和血细胞的聚集能力强，其表面具有良好的抗凝血作用。

传统抗凝血的方法有用抗凝血剂涂覆在植入式装置和人造器官的表面等技术。常用的抗凝血剂有肝素、白蛋白和柠檬酸盐。通常将这些物质用物理和化学的方法粘接在材料表面。尽管这些物质的抗凝血性在许多应用中是肯定的，但一个十分明显的缺点是它们易从粘附的表面脱落下来而进入血流中，因此这种抗凝血表面的寿命比较短，不能长期有效。静电处理技术在某些场合也能有效地抑制凝血层形成。通过静电处理，使材料表面带上负电荷，以排斥带负电性的蛋白质吸附。但是这种技术有争议，因为一种天然的血凝因子——Hageman factor(一种蛋白质)可能就是被负电性表面激活的。

近年来，一个有突破性的方案是模拟红细胞膜的结构，这是生物化学结构的仿生技术。由于红细胞在血液中和其他血液成分是相容的，因此，如果某种材料的表面具有类似于红血细胞膜外表面结构的物理，化学和生物化学特性，那么这样的人造材料表面就可能呈现良好的血液相容容性。如附图1所示，红血细胞膜结构是一种不对称的双层磷脂分子层，其中镶嵌有各种蛋白质(3)和胆固醇等。磷脂分子包含一个磷脂头端(1)和脂肪酸长链(2)，头端指向膜外，而脂肪酸长链向着膜的内部。红血细胞膜的外侧层的磷脂分子88％由卵磷脂和鞘磷脂组成，这两种磷脂中都含有双极性的磷酰基胆碱头端基团，因而总体上显示为电中性。膜的内侧层则含有大量的负电性的磷脂分子如磷酸丝氨酸。

大量实验证实，带负电性的磷脂族在凝血过程中起催化作用，使各种凝血因子激活并起作用，能大大缩短凝血时间，促进凝血层形成。电中性的磷脂族排斥蛋白质的吸附，对凝血过程无催化和促进作用，呈良好的血液相容性。

发明内容

本发明提供一种具有高度血液相容性的仿红血细胞膜，目的是解决现有的植入式装置，材料和人造器官与血液的生物相容性差的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种具有高度血液相容性的仿红血细胞膜，由下列原料和方法制得：

第一步：将聚氯乙烯充分溶解于四氢呋喃中，得到含有聚氯乙烯的四氢呋喃溶液；其中，聚氯乙烯与四氢呋喃的质量体积比为4～6∶100，质量体积比的单位是克/毫升；

第二步：将第一步得到的含有医用聚氯乙烯的四氢呋喃溶液均匀涂敷在植入式装置或者人造器官的表面，然后在24℃～26℃和相对湿度为50％～60％的洁净环境下，通过四氢呋喃的自然蒸发，在植入式装置或者人造器官的表面形成医用聚氯乙烯基底；

第三步：将形成有医用聚氯乙烯基底的植入式装置或者人造器官浸没在含有磷酰基胆碱高分子聚合物的甲醇溶液中3～7秒钟；然后将浸没后的植入式装置或者人造器官放进玻璃真空罩内，在温度为24℃～26℃和相对湿度为50％～60％的条件下，并用250nm～270nm的紫外光进行照射48～72小时，使磷酰基胆碱高分子聚合物与所述医用聚氯乙烯基底通过化学反应相结合；

所述含有磷酰基胆碱高分子聚合物的甲醇溶液，磷酰基胆碱高分子聚合物与甲醇的质量体积比为2.5～3.0∶100；磷酰基胆碱高分子聚合物是甲基丙烯酸酯单体与丁基-甲基丙烯酸单体的共聚物，甲基丙烯酸酯单体的结构式如(I)式所示，丁基-甲基丙烯酸单体的结构式如(II)式所示：

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1、上述方案中，所述聚氯乙烯是高级软性医用无毒聚氯乙烯，要求不含毒素，符合医用器械标准，以柠檬酸酯类为增塑剂，钙锌为稳定剂，不含甲苯及腈基团，易氧化物含量在0.3％以下。

2、上述方案中，所述洁净环境是指洁净室(Clean Room)，亦称为无尘室或清净室。洁净室是指将空气中的微尘、细菌等污染物排除，而特别设计的环境。

3、上述方案中，植入式装置或者人造器官包括人造血管、人造骨骼、眼球晶体、植入式牙齿、心脏起搏器、冠动脉支架、胰岛素胶囊、美容整容填充材料等)、ICU(Intensive Care Unit，重症监护病房)临床实时监测装置(植入式传感器、医用导管)以及与生物体的直接创伤接触的用品和材料。

4、上述方案中，可以将含有医用聚氯乙烯的四氢呋喃溶液均匀涂敷在玻璃平板。

5、上述方案中，用紫外光进行照射是为了促使磷酰基胆碱高分子聚合物与医用聚氯乙烯基底发生化学键的键合反应。

6、上述方案中，所用到的材料都需要是医用的。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

1、本发明得到的仿红血细胞膜，经用人血处理30分钟后，得到的扫描电镜图如附图3所示，表面保持光滑，干净并无凝血现象，以医用聚氯乙烯为基底制成的仿红血细胞膜表面，显示出优良的表面抗凝血性。而作为对照的医用PVC，经用人血处理30分钟后，得到的扫描电镜图如附图4所示，其表面明显出现凝血现象。

2、本发明得到的以医用聚氯乙烯为基底制成的仿红血细胞膜的表面三维结构如附图5所示，从图中可以看出，在医用聚氯乙烯基底上形成的磷酰基胆碱头端排列十分规则。

3、本发明得到的以医用聚氯乙烯为基底制成的仿红血细胞膜具有优良的粘结力。用剥离试验和流体冲刷试验两种方法来评价仿红血细胞膜的粘结力时，以医用聚氯乙烯为基底制成的仿红血细胞膜放在生理盐水循环系统中，生理盐水在37℃，以15ml/min的流量冲刷导管表面达5天，采用电子显微镜观察，结果表明制备的仿红血细胞膜具有十分优良的粘结力，未发现仿红血细胞膜有脱落现象。剥离试验按美国ASTM标准方法进行，流体冲刷试验是模仿人体血管中血流动力学进行。

4、本发明将磷酰基胆碱高分子聚合物结合到医用聚氯乙烯上，通过化学改性，具有以下特点：1)机械性能可调节；2)容易均匀成膜；3)具有良好的粘附能力，能作为基体材料牢固地粘结在植入式装置和材料表面；4)通过对其表面改性，和多种化学物理方法将磷酸胆碱基团尾端的脂肪酸长链和其基底表面形成牢固和稳定的结构。

附图说明

附图1为红血细胞膜的不对称双层磷脂结构示意图；

附图2为以医用PVC为基底的仿红血细胞膜结构示意图；

附图3为一般医用PVC与人血接触2小时后的扫描电镜图；

附图4为以医用PVC为基底的仿红血细胞膜与人血接触2小时后的扫描电镜图；

附图5为仿红血细胞膜表面三维结构的原子力显微镜照片。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：一种具有高度血液相容性的仿红血细胞膜，由下列原料和方法制得：

第一步：将5克医用聚氯乙烯充分溶解于100毫升四氢呋喃中，得到含有医用聚氯乙烯的四氢呋喃溶液。

第二步：将第一步得到的含有医用聚氯乙烯的四氢呋喃溶液均匀涂敷在植入式装置的表面，然后在25℃和相对湿度为50％～60％的洁净环境(无尘无菌)下，通过四氢呋喃的自然蒸发，在植入式装置或者人造器官的表面形成医用聚氯乙烯基底；

第三步：将形成有医用聚氯乙烯基底的植入式装置或者人造器官浸没在含有磷酰基胆碱高分子聚合物的甲醇溶液中3～7秒钟；然后放进玻璃真空罩内48小时，玻璃真空罩内的温度为25℃，和相对湿度为50％～60％，并用254nm的紫外光进行照射，以使磷酰基胆碱高分子聚合物与所述医用聚氯乙烯基底结合。合成得到的以医用PVC为基底的仿红血细胞膜结构如附图2所示。

所述含有磷酰基胆碱高分子聚合物的甲醇溶液的质量体积比为2.5∶100，所述质量体积比的单位是克/毫升；所述磷酰基胆碱高分子聚合物是甲基丙烯酸酯单体与丁基-甲基丙烯酸单体的共聚物，甲基丙烯酸酯单体的结构式如(I)式所示，丁基-甲基丙烯酸单体的结构式如(II)式所示：

仿红血细胞膜结构的确认：

磷酰基胆碱头端是抗凝血性的关键化学基团。在使用傅立叶红外方法对高分子聚合物制成的仿红血细胞膜进行分析后确认磷酰基胆碱头端的存在与膜外表面。傅立叶红外仪上出现明显的1723nm，1244nm，1090nm，965nm和787nm分别为磷酰基胆碱头端中C＝O；O＝P-O-，和N+(CH₃)₃三个基团的伸缩振动的吸收峰。

实施例二：一种具有高度血液相容性的仿红血细胞膜，由下列原料和方法制得：

第一步：将4克医用聚氯乙烯充分溶解于100毫升四氢呋喃中，得到含有医用聚氯乙烯的四氢呋喃溶液。

第二步：将第一步得到的含有医用聚氯乙烯的四氢呋喃溶液均匀涂敷在植入式装置的表面，然后在24℃和相对湿度为50％～60％的洁净环境(无尘无菌)下，通过四氢呋喃的自然蒸发，在植入式装置或者人造器官的表面形成医用聚氯乙烯基底；

第三步：将形成有医用聚氯乙烯基底的植入式装置或者人造器官浸没在含有磷酰基胆碱高分子聚合物的甲醇溶液中3～7秒钟，所述含有磷酰基胆碱高分子聚合物的甲醇溶液的质量体积比为2.7∶100(克/毫升)；然后放进玻璃真空罩内60小时，玻璃真空罩内的温度为26℃，和相对湿度为50％～60％，并用260nm的紫外光进行照射，以使磷酰基胆碱高分子聚合物与所述医用聚氯乙烯基底结合。

实施例一：一种具有高度血液相容性的仿红血细胞膜，由下列原料和方法制得：

第一步：将6克医用聚氯乙烯充分溶解于100毫升四氢呋喃中，得到含有医用聚氯乙烯的四氢呋喃溶液。

第二步：将第一步得到的含有医用聚氯乙烯的四氢呋喃溶液均匀涂敷在植入式装置的表面，然后在26℃和相对湿度为50％～60％的洁净环境(无尘无菌)下，通过四氢呋喃的自然蒸发，在植入式装置或者人造器官的表面形成医用聚氯乙烯基底；

第三步：将形成有医用聚氯乙烯基底的植入式装置或者人造器官浸没在含有磷酰基胆碱高分子聚合物的甲醇溶液中3～7秒钟，所述含有磷酰基胆碱高分子聚合物的甲醇溶液的质量体积比为3.0∶100(克/毫升)；然后放进玻璃真空罩内72小时，玻璃真空罩内的温度为24℃，和相对湿度为50％～60％，并用270nm的紫外光进行照射，以使磷酰基胆碱高分子聚合物与所述医用聚氯乙烯基底结合。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1、一种具有高度血液相容性的仿红血细胞膜，其特征在于：由下列原料和方法制得：

第一步：将聚氯乙烯充分溶解于四氢呋喃中，得到含有聚氯乙烯的四氢呋喃溶液；其中，聚氯乙烯与四氢呋喃的质量体积比为4～6∶100，质量体积比的单位是克/毫升；

第二步：将第一步得到的含有医用聚氯乙烯的四氢呋喃溶液均匀涂敷在植入式装置或者人造器官的表面，然后在24℃～26℃和相对湿度为50％～60％的洁净环境下，通过四氢呋喃的自然蒸发，在植入式装置或者人造器官的表面形成医用聚氯乙烯基底；

第三步：将形成有医用聚氯乙烯基底的植入式装置或者人造器官浸没在含有磷酰基胆碱高分子聚合物的甲醇溶液中3～7秒钟；然后将浸没后的植入式装置或者人造器官放进玻璃真空罩内，在温度为24℃～26℃和相对湿度为50％～60％的条件下，并用250nm～270nm的紫外光进行照射48～72小时，使磷酰基胆碱高分子聚合物与所述医用聚氯乙烯基底通过化学反应相结合；

所述含有磷酰基胆碱高分子聚合物的甲醇溶液，磷酰基胆碱高分子聚合物与甲醇的质量体积比为2.5～3.0∶100；磷酰基胆碱高分子聚合物是甲基丙烯酸酯单体与丁基-甲基丙烯酸单体的共聚物，甲基丙烯酸酯单体的结构式如(I)式所示，丁基-甲基丙烯酸单体的结构式如(II)式所示：

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