CN108096635A - 一种黄芩苷修饰的富氨基支架材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种黄芩苷修饰的富氨基支架材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种黄芩苷修饰的富氨基支架材料及其制备方法与应用，属于医学支架领域。其制备方法包括以下步骤：混合黄芩苷溶液和活化剂，活化，混合富氨基支架材料以及活化后的黄芩苷溶液，接枝。该方法过程简单，操作容易，适用范围广。由此方法制备而得的黄芩苷修饰的富氨基支架材料同时具有抗氧化应激、抗炎症、抑制内皮细胞凋亡和抑制平滑肌细胞过度增殖等多种功能。将上述黄芩苷修饰的富氨基支架材料用于改善血管微环境，可明显改善支架材料的生物相容性，在支架置入患者体内后，抑制氧化应激、炎症和再狭窄等不良反应。

Description

一种黄芩苷修饰的富氨基支架材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及医学支架领域，且特别涉及一种黄芩苷修饰的富氨基支架材料及其制备方法与应用。
背景技术
据世界卫生组织统计，心血管疾病已成为导致现在人类非正常死亡的主要原因之一，占各种原因致死人数的30％。支架介入是治疗动脉粥样硬化的主要手段，但支架介入后仍存在着诸多问题：第一代金属裸支架主要面临着支架内再狭窄的问题。第二代药物洗脱支架很好的解决了支架内再狭窄的问题，但是药物洗脱支架在释放药物抑制内膜增生的同时，也抑制了内皮细胞层的愈合，进而增加了晚期血栓发生的风险。
随着进一步的研究，人们发现无论是第一代金属裸支架还是药物洗脱支架，均普遍忽略了在血管病变部位的内皮细胞(ECs)面临着与其他细胞如平滑肌细胞(SMCs)和炎性细胞存在竞争生长的这一客观事实。
因此构建不但能抑制SMCs过度增生和炎症反应，还能促进内皮细胞生长的多功能支架材料表面，有望促进支架植入后内膜层的有序修复与重建，是目前血管支架材料设计的新热点。
在支架材料表面修饰多功能的生物分子，是实现上述多功能支架材料构建的主要方式。如，Ceylan、计剑教授等小组及申请者尝试通过仔细筛选具有潜在多重功能的生物分子，如比伐卢定(BVLD)、肝素和REDV多肽(Arge-Glue-Aspe-Val)用于支架及其支架材料表面修饰。
结果显示，该类具有潜在多重功能的生物分子用于修饰的医用不锈钢(SS)支架或材料能选择性的促进内皮细胞生长而抑制平滑肌增殖，达到加快内皮化进程和降低血栓形成的目的。
然而，该类生物分子修饰的支架，在面临复杂的病变血管微环境下依然难以真正实现具有正常功能的内皮再生和内膜组织的修复这一标本根治的目的。究其原因，可能是由于在支架功能设计时，普遍忽略了支架注入后的工作环境是氧化应激的血管微环境所导致的。
因此，需要对现有的血管支架进行改进，寻求生物相容性较高的新的支架材料。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种黄芩苷修饰的富氨基支架材料的制备方法，该方法过程简单，操作容易，适用范围广。
本发明的第二目的在于提供一种由上述黄芩苷修饰的富氨基支架材料的制备方法制备而得的黄芩苷修饰的富氨基支架材料，该黄芩苷修饰的富氨基支架材料同时具有抗氧化应激、抗炎症、抑制内皮细胞凋亡和抑制平滑肌细胞过度增殖等多种功能。
本发明的第三目的在于提供一种上述黄芩苷修饰的富氨基支架材料的应用，将其用于改善血管微环境，可明显改善支架材料的生物相容性，在支架置入患者体内后，抑制氧化应激、炎症和再狭窄等不良反应。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的：
本发明提出一种黄芩苷修饰的富氨基支架材料的制备方法，其包括以下步骤：混合黄芩苷溶液和活化剂，活化，混合富氨基支架材料以及活化后的黄芩苷溶液，接枝。
本发明还提出一种由上述黄芩苷修饰的富氨基支架材料的制备方法制备而得的黄芩苷修饰的富氨基支架材料。
本发明还提出一种上述黄芩苷修饰的富氨基支架材料的应用，例如可将其用于改善血管微环境。
本发明较佳实施例提供的黄芩苷修饰的富氨基支架材料及其制备方法与应用的有益效果是：
本发明较佳实施例的黄芩苷修饰的富氨基支架材料在EDC/NHS活化体系下，将黄芩苷的糖分子结构中的羧基基团通过氨羧基结合形成酰胺键的方式，将黄芩苷固定在富氨基表面，从而改善支架材料的生物相容性。
本发明较佳实施例提供的黄芩苷修饰的富氨基支架材料的制备方法过程简单，操作容易，适用范围广。
经上述方法制备而得的黄芩苷修饰的富氨基支架材料同时具有抗氧化应激、抗炎症、抑制内皮细胞凋亡和抑制平滑肌细胞过度增殖等多种功能。
将上述黄芩苷修饰的富氨基支架材料用于改善血管微环境，可明显改善支架材料的生物相容性，在支架置入患者体内后，有效抑制氧化应激、炎症和再狭窄等不良反应。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明方案中黄芩苷修饰的富氨基支架材料的制备流程示意图；
图2为本发明试验例1中不同接枝浓度下，Micro BCA实验测得的SS-NH2接枝BCL的相对接枝量结果图；
图3为本发明试验例2中SS-NH2接枝BCL涂层表面对平滑肌细胞静态培养24h的结果图；
图4为本发明试验例3中在SS-NH2接枝BCL涂层表面进行内皮细胞静态培养，在不加过氧化氢和加过氧化氢的情况下的凋亡情况结果图；
图5为本发明试验例4中对SS-NH2接枝BCL表面改性的金属丝在SD大鼠腹主动脉植入4周的结果图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的黄芩苷修饰的富氨基支架材料及其制备方法与应用进行具体说明。
本发明实施例提供的黄芩苷修饰的富氨基支架材料是将黄芩苷接枝于富氨基支架材料表面，以改善富氨基支架材料的生物相容性。
由于支架植入患者体内后所处的氧化应激微环境，概括而言，是由以下途径产生：(1)支架植入过程不可避免会导致血管内膜损伤，在损伤部位会聚集大量的粒细胞和单核细胞，通过与血液成分相互作用促进血栓形成，炎症细胞和激活的血小板释放ROS；(2)支架置入会导致血管紧张素II表达增加，提高NADPH氧化酶的增加，通过激活白细胞膜上的NADPH2氧化酶，氧化NADPH2成为NADP+，同时产生大量的ROS；(3)在动脉粥样硬化病灶处，始终存在着大量的泡沫细胞，持续产生大量的ROS。
氧化应激环境中过量的ROS可以直接导致ECs的凋亡，还可以中和ECs产生的NO，并将之转换为具有细胞毒性的过氧亚硝酸阴离子，导致支架植入处以及周边ECs的损伤与凋亡。ECs分泌NO能力下降，会失去抑制SMCs过度增殖的能力，导致静息的SMCs由收缩型向合成型转变，同时ROS促进血管平滑肌细胞和外膜肌成纤维细胞的初始凋亡、增殖和迁移，导致再狭窄。
另一方面，ECs的凋亡过程又引发NF-kB活化并分泌IL-6、E-选择素、ICAM-1等多种促炎细胞因子，加剧炎症反应。氧化应激和炎症反应相互促进，最终在它们的共同作用下SMCs过度增生，引发支架内再狭窄。因此在血管支架材料表面修饰能够清除ROS、缓解氧化应激微环境的多功能生物分子，对于提升血管支架的临床应用表现具有重要的意义。
黄芩苷(BCL)为一种黄酮类化合物，BCL分子由一个糖分子和一个黄芩素分子构成，具有抗菌、抗炎、清除ROS、抗肿瘤以及等多方面作用。
在心血管疾病的防治中，BCL可用于防治动脉粥样硬化和高血压病，具有减缓缺血型再灌注所导致的氧化应激损伤的作用，此外还有抑制ECs凋亡、抑制SMCs增殖以及促进低密度脂蛋白从单核细胞中流出等作用。
BCL的抗氧化功能主要基于黄芩素上的邻苯二酚结构对ROS的清除，而黄芩素是一种良好的黄嘌呤氧化酶抑制剂，因而可以抑制羟基自由基的产生。此外，BCL还可以作为铁螯合剂，通过抑制铁催化的Fenton反应，减少在过氧化氢存在下羟基自由基的产生，从而保护细胞免于ROS损伤。
因此，本发明实施例中将黄芩苷用于修饰作为血管支架的富氨基支架材料，以达到清除过量的ROS、抑制ECs凋亡、抑制SMCs过度增殖和保护巨噬细胞不被ox-LDL转变为泡沫细胞的作用，从而在富氨基支架材料植入患者体内后能够实现抗氧化应激、抗炎症以及抑制再狭窄的疗效。
本发明实施例还提供了一种上述黄芩苷修饰的富氨基支架材料的制备方法。其包括以下步骤：混合黄芩苷溶液和活化剂，活化，混合富氨基支架材料以及活化后的黄芩苷溶液，接枝。
较佳地，上述黄芩苷溶液可经以下步骤得到：混合黄芩苷、水和氨水，调节混合后混合溶液体系的pH值至6.5-6.9。较佳地，上述水采用单蒸水(RO)，也即经过一次蒸馏后所得的水；上述氨水为稀释400倍的氨水。
本发明实施例中采用氨水与黄芩苷混合，其原因在于，黄芩苷分子不稳定，碱性条件下会发生分解，而氨水属于弱碱，对黄芩苷影响较小。值得说明的是，氨水也可用NaOH代替，但氨水较NaOH对黄芩苷的性质影响较小。
具体地，可将黄芩苷与氨水混合至pH值不超过9，然后加入单蒸水调节pH值至6.5-6.9。之所以将最终的pH控制在6.5-6.9范围内，一方面是因为该pH值范围内黄芩苷不易分解，另一方面是因为该pH值范围符合后续活化时的pH值范围要求。
作为可选地，本发明实施例中的活化剂经活化原料与水混合而得，活化原料例如可以包括1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)。活化剂的目的在于将黄芩苷所含的羧基进行活化。其中，EDC能够在反应后用水除去，使所得的产物容易纯化，也即较易进行后处理；并且EDC为有机和水相均能使用的偶联试剂，活化效率较高。NHS为延长活化中间体的偶联试剂，由于EDC与黄芩苷反应后所产生的活性中间体存在不稳定现象，加入NHS，可维持上述活化中间体的活性。
具体地，活化剂可由0.07-0.08g的EDC和0.02-0.03g的NHS溶于5mL的RO水中而得。较佳地，上述活化剂由0.0776gEDC和0.0257gNHS共同溶于5mL的RO水中而得。
作为可选地，活化剂与黄芩苷溶液的体积比例如可以为1：8-12。优选地，活化剂与黄芩苷溶液的体积比为1：10。
作为可选地，活化是于室温(10-30℃)的条件下进行15-25min。优选地，活化是于10-30℃的条件下进行20min。
进一步地，混合富氨基支架材料以及活化后的黄芩苷溶液，接枝，即可得到黄芩苷修饰的富氨基支架材料。其中，富氨基支架材料包括富含氨基的金属材料或富含氨基的高分子材料。
富氨基支架材料和活化后的黄芩苷溶液的混合是将活化后的黄芩苷溶液浸没富氨基支架材料。
作为可选地，接枝时间为6-24h，接枝过程保持静置即可。
承上所述，鉴于黄芩苷的糖分子结构上存在羧基基团，在EDC/NHS活化体系下，可以通过氨羧基结合形成酰胺键的方式，将黄芩苷固定在富氨基表面。基于此，本实施例即在富氨基的支架材料，如不锈钢(SS-NH2)支架材料的表面利用EDC/NHS活化体系共价固定黄芩苷，从而改善支架材料的生物相容性。该接枝过程中所涉及的化学反应方程式如下：
整个制备流程示意图如图1所示。其中，SS代表支架材料，SS-NH2代表富氨基的支架材料，“固定BCL”上方所对应的图中支出部分即为BCL，最右边显示的为BCL与支架材料具体的接枝结构。
值得说明的是，接枝完后，可使用RO水对材料表面进行清洗，以洗去未接枝上的不稳定的BCL，获得稳定的黄芩苷修饰的富氨基支架材料。
此外，本发明实施例还提供了一种上述黄芩苷修饰的富氨基支架材料的应用，例如可将其作为血管支架材料用于改善血管微环境，能有效改善血液接触材料的生物相容性。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
将黄芩苷用单蒸水和稀释400倍的氨水至体系pH值为6.7，得浓度为0.5mg/mL的黄芩苷溶液。
将0.0776gEDC和0.0257gNHS溶于5mL的单蒸水中，作为活化剂。将活化剂与黄芩苷溶液按体积比为1：10的方式混合，于25℃的条件下活化20min。
将h为1.5mm且Φ为10mm的富氨基不锈钢放入Φ70mm的培养皿中，随即加入15mL活化20min的黄芩苷溶液至其将富氨基不锈钢浸没，静置条件下接枝15h。使用RO水对材料表面进行清洗三次，洗去未接枝上的不稳定的BCL，获得黄芩苷修饰的富氨基支架材料。
实施例2
将黄芩苷用单蒸水和稀释400倍的氨水至体系pH值为6.5，得黄芩苷溶液。
将0.07gEDC和0.02gNHS溶于5mL的单蒸水中，作为活化剂。将活化剂与黄芩苷溶液按体积比为1：8的方式混合，于10℃的条件下活化25min。
将h为1mm且Φ为8mm的富氨基不锈钢放入培养皿中，随即加入10mL活化25min的黄芩苷溶液至其将富氨基不锈钢浸没，静置条件下接枝24h。使用RO水对材料表面进行清洗三次，洗去未接枝上的不稳定的BCL，获得黄芩苷修饰的富氨基支架材料。
实施例3
将黄芩苷用单蒸水和稀释400倍的氨水至体系pH值为6.7，得黄芩苷溶液。
将0.08gEDC和0.03gNHS溶于5mL的单蒸水中，作为活化剂。将活化剂与黄芩苷溶液按体积比为1：12的方式混合，于30℃的条件下活化15min。
将h为2mm且Φ为12mm的富氨基不锈钢放入培养皿中，随即加入20mL活化15min的黄芩苷溶液至其将富氨基不锈钢浸没，静置条件下接枝6h。使用RO水对材料表面进行清洗三次，洗去未接枝上的不稳定的BCL，获得黄芩苷修饰的富氨基支架材料。
实施例4
本实施例提供一种上述实施例1-3所得的黄芩苷修饰的富氨基支架材料的应用，也即将其作为血管支架材料用于改善血管微环境。
试验例1
重复重复上述实施例1-3，得到足够多的黄芩苷修饰的富氨基支架材料。以实施例1所得的黄芩苷修饰的富氨基支架材料为试验样品进行以下试验。取Micro BCA溶液(产自Thermo scientific公司)中的A液、B液和C液以25：24：1的比例混合，得混合液。将样品放入24孔板中，每孔加入300μL上述混合液，反应15min后于每孔中吸取200μL反应溶液至96孔板中，测吸光度值并计算平均值。
按实施例1制备方法分别得到黄芩苷溶液浓度为1.5mg/mL、2mg/mL和2.5mg/mL条件下的黄芩苷修饰的富氨基支架材料。
此外，设置对照组1和对照组2，对照组1即为实施例1中所用的SS，对照组2即为实施例1中的SS-NH2。
按上述试验方法对黄芩苷溶液浓度为1.5mg/mL、2mg/mL和2.5mg/mL条件下的黄芩苷修饰的富氨基支架材料以及对照组1和对照组2的吸光度值进行测定。其结果如图2所示。
由图2可看出，相对于对照组1(SS)和对照组2(SS-NH2)，接枝了BCL的样品组吸光度值明显上升，说明具有一定的还原能力，且随着接枝浓度的增加，还原能力也随之加强。
试验例2
以试验例1中的不同样品和对照组为本试验中的试验样品。分别将动脉平滑肌细胞以2×104cells/cm2的密度接种在样品表面。细胞培养箱中培养1天后取出样品，生理盐水清洗三遍，用2.5％戊二醛生理盐水溶液固定12小时。用生理盐水清洗后，被固定的细胞用罗丹明染色(每个样品50μL，避光，15分钟)。染色样品用荧光显微镜(Leica，德国)观察。荧光图像获得后，使用IPWin60C软件处理，获得细胞的平均细胞数，其结果如图3所示。
图3是SS、SS-NH2、0.5BCL、1.5BCL和2.5BCL薄膜表面平滑肌细胞静态培养一天的罗丹明荧光染色图片。如图所示，相对于SS和SS-NH2，0.5BCL、1.5BCL和2.5BCL薄膜的平滑肌细胞数量要明显减少，并且SS和SS-NH2上的平滑肌细胞形态趋向于类似上皮细胞状的菱形，而0.5BCL、1.5BCL和2.5BCL薄膜表面的平滑肌细胞仍保持细长、纺锤状。由于平滑肌细胞形态与细胞显型、细胞增殖之间存在一定联系，形态类似纺锤状、长梭状这类呈现细长特征的平滑肌细胞有更大可能处于收缩显型并且增殖活性低，而形态类似菱形、圆形这类呈现短粗特征的平滑肌细胞有更大可能处于分泌显型并且具有高的增活性。
上述结果说明0.5BCL、1.5BCL和2.5BCL薄膜与SS和SS-NH2相比，不同黄芩苷溶液浓度条件下所得的黄芩苷修饰的富氨基支架材料均能较对照组明显地抑制平滑肌细胞的增殖。
试验例3
以试验例1中的不同样品和对照组为本试验中的试验样品。分别将动脉平滑肌细胞以2×104cells/cm2的密度接种在样品表面，分为加H2O2组和不加H2O2组，H2O2浓度为200μm/mL。细胞培养箱中培养1天后取出样品，生理盐水清洗一遍。将样品在掺入AO/PI的培养基中染色3min，在荧光显微镜下观察。AO标记活细胞为绿色，PI标记死细胞为红色。其结果如图4所示，其中，第1列和第3列中的细胞为绿色，第2列和第4列中的细胞为红色。
由图4可以看出，在不加H2O2时，2.0BCL相比于SS和SS-NH2，细胞凋亡数量明显减少。加H2O2组的SS和SS-NH2的样品可看到，细胞发生了明显的皱缩，凋亡数量也明显增加，但在2.0BCL组，凋亡数量有了明显的减少，并且形态趋向于铺展。说明BCL不仅可以抑制正常情况下内皮细胞的凋亡，还可以抑制氧化应激条件下，H2O2对内皮的损伤。
试验例4
在成年SD大鼠腹腔注射0.8mL戊巴比妥钠(30mg/mL)进行麻醉。剃毛及消毒后，切开组织及腹部找到腹主动脉并用止血钳夹紧，植入样品缝合血管，然后缝合腹部，在伤口处滴加适量青霉素防止细菌感染。之后每天同一时间喂食，至4周，麻醉后找到样品所在血管部位，先在血管内注入少量肝素以防凝血，随后切断植入样品部位的血管并取下。经多聚甲醛溶液固定2-3天后，分离出组织中的样品并对组织进行石蜡包埋，组织切片，进行HE染色，其结果如图5所示。
图5中星形所示区域为样品植入区，由图5可以看出，所有样品都完全被血管组织覆盖，BCL组样品上覆盖的血管组织厚度要明显低于SS和SS-NH2组，这可能是由于BCL处理后的样品具有良好的生物相容性，在早期植入时不会引起炎症反应，并且可以抑制后期平滑肌细胞的增殖，使得表面纤维包囊层厚度相比于SS和SS-NH2组明显减小。
综上所述，本发明提供的黄芩苷修饰的富氨基支架材料的制备方法过程简单，操作容易，适用范围广。经上述方法制备而得的黄芩苷修饰的富氨基支架材料同时具有抗氧化应激、抗炎症、抑制内皮细胞凋亡和抑制平滑肌细胞过度增殖等多种功能。将上述黄芩苷修饰的富氨基支架材料用于改善血管微环境，可明显改善支架材料的生物相容性，防止支架置入患者体内后，患者出现氧化应激、炎症和再狭窄等不良反应。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种黄芩苷修饰的富氨基支架材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：混合黄芩苷溶液和活化剂，活化，混合富氨基支架材料以及活化后的黄芩苷溶液，接枝。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述活化剂与所述黄芩苷溶液的体积比为1：8-12；
优选地，所述活化剂与所述黄芩苷溶液的体积比为1：10。
3.根据权利要求1所述的黄芩苷修饰的富氨基支架材料的制备方法，其特征在于，活化是于10-30℃的条件下进行15-25min；
优选地，活化是于10-30℃的条件下进行20min。
4.根据权利要求1所述的黄芩苷修饰的富氨基支架材料的制备方法，其特征在于，所述黄芩苷溶液经以下步骤得到：混合黄芩苷、水和氨水，调节混合后混合溶液体系的pH值至6.5-6.9。
5.根据权利要求1所述的黄芩苷修饰的富氨基支架材料的制备方法，其特征在于，所述活化剂经活化原料与水混合而得，所述活化原料包括1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺。
6.根据权利要求1所述的黄芩苷修饰的富氨基支架材料的制备方法，其特征在于，所述富氨基支架材料与所述活化后的黄芩苷溶液混合是将所述活化后的黄芩苷溶液浸没所述富氨基支架材料。
7.根据权利要求1所述的黄芩苷修饰的富氨基支架材料的制备方法，其特征在于，接枝时间为6-24h。
8.一种黄芩苷修饰的富氨基支架材料，其特征在于，所述黄芩苷修饰的富氨基支架材料经如权利要求1-7任一项所述的黄芩苷修饰的富氨基支架材料的制备方法制备而得。
9.根据权利要求8所述的黄芩苷修饰的富氨基支架材料，其特征在于，所述富氨基支架材料包括富含氨基的金属材料或富含氨基的高分子材料。
10.如权利要求8所述的黄芩苷修饰的富氨基支架材料的应用，其特征在于，所述黄芩苷修饰的富氨基支架材料用于改善血管微环境。
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