CN112516410A - 一种具有可调节止血—抗凝功能的智能留置针及其制备方法和应用 - Google Patents

一种具有可调节止血—抗凝功能的智能留置针及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种具有可调节止血—抗凝功能的智能留置针及其制备方法和应用，首先利用多巴胺的碱性氧化自聚反应将聚多巴胺修饰在留置针内表面作为一种底漆，然后将磁性纳米粒子溶液注射到留置针套管内部，通过磁场响应和π‑π堆积等非共价作用将纳米粒子均匀有序地固定于材料表面，之后在套管外层通过旋涂法将邻苯二酚修饰的壳聚糖涂覆在外层。这种方法操作简单易行，且得到的多功能留置针具备可调节的抗凝止血功能。

Description

一种具有可调节止血—抗凝功能的智能留置针及其制备方法 和应用
技术领域
本发明属于留置针技术领域，更加具体地说，属于一种具有可调节止血—抗凝功能的智能留置针及其制备方法和应用。
背景技术
静脉留置针针作为一种可植入的医疗器械，由不锈钢的芯、软的外套管和塑料针座组成，穿刺时将针芯和软管一起送入血管，最后撤出针芯，将软管留在血管中的一种外周静脉输液工具，主要用于短期静脉输液治疗。由于其具有保护静脉，减轻患者反复穿刺的痛苦，便于及时救治，提高临床效率等优点，在临床使用越来越广泛。然而，留置针在植入血管的同时，会发生凝血以及形成血栓从而导致留置针堵塞。临床上常用的手段是利用肝素封管，但是与此同时会带来潜在的大出血风险以及凝血障碍，因此急需开发一种兼具抗凝血和止血的生物材料来解决这一问题。
肝素，作为一种临床上最为常用的抗凝剂，是一种高度硫酸化的糖胺聚糖，带有大量的负电荷，具有抑制血栓形成和抗血小板聚集的功能。然而，肝素的使用不可避免的带来很多副作用，例如体内血小板大量减少，自发性出血，以及其他凝血功能障碍，极大地影响了患者对抗凝剂使用的信心。基于此开展了许多肝素固定化的研究，在保证抗凝血效果的同时可以有效地降低肝素的用量，并赋予材料更好的血液相容性。壳聚糖作为一种阳离子天然多糖，含有大量的氨基，同时具有优异的止血和伤口愈合性能，通过对留置针进行内外层的改性，可以将抗凝血与止血效果相结合，以外加磁场控制，调节留置针的抗凝血和止血效果，可以形成一种具有可调节抗凝血-止血功能的生物材料，为植入式血液接触材料提供了新的设计思路。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有可调节止血—抗凝功能的智能留置针及其制备方法和应用，将肝素化磁性纳米粒子和邻苯二酚修饰的壳聚糖分别修饰在留置针的内外表面，并通过外加磁场控制来调节其抗凝血效果，并可以保证抗凝血的同时在拔针止血。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。
一种具有可调节止血—抗凝功能的智能留置针，在留置针内表面设置聚多巴胺层，在聚多巴胺层上设置肝素化磁性纳米粒子，在留置针外表面设置邻苯二酚修饰的壳聚糖涂层。
而且，在留置针内表面通过多巴胺自聚反应形成聚多巴胺层。
而且，在留置针外表面通过旋涂法将邻苯二酚修饰的壳聚糖进行涂覆。
而且，在留置针内表面的聚多巴胺层上，通过外加磁场进行控制，以将肝素化磁性纳米粒子进行固定。
而且，肝素化磁性纳米粒子以聚赖氨酸修饰的三氧化二铁磁性纳米粒子为核，以带有负电的多巴胺修饰的肝素为壳，按照下述步骤进行：
步骤(1)以多巴胺(DA)和肝素(Hep)为原料，利用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)通过酰胺化反应，制备出多巴胺修饰的肝素(HepDA)；
步骤(2)将步骤(1)制得的多巴胺修饰的肝素(HepDA)和聚赖氨酸修饰的三氧化二铁纳米粒子(FeNPs)溶解于Tris缓冲液中，在室温下搅拌反应，以利用静电相互作用将带有正电荷的聚赖氨酸修饰的三氧化二铁磁性纳米粒子与带有负电的多巴胺修饰的肝素复合形成核壳结构的纳米粒子。
步骤(2)中所述Tris缓冲液的pH为8.5，浓度为5mg/mL。
步骤(2)中所述多巴胺修饰的肝素(HepDA)和聚赖氨酸修饰的三氧化二铁纳米粒子(FeNPs)溶解于Tris缓冲液中，在室温下搅拌反应2-4h。
步骤(2)中反应结束后，将反应溶液离心20-30min，转速为4000-6000rpm，然后将下层沉淀物真空干燥，得到所述核壳结构的纳米粒子。
上述留置针的制备方法，按照下述步骤进行：
步骤1，在留置针内表面通过多巴胺自聚反应形成聚多巴胺层；
在步骤1中，将多巴胺溶解于pH 8.5的Tris水溶液中，然后将上述溶液注入留置针的套管内，室温20—25摄氏度下反应6—12小时，之后用去离子水冲洗3次，然后真空干燥待用。
步骤2，将均匀分散有肝素化磁性纳米粒子的溶液注入经步骤1处理的留置针的套管内，通过施加磁场以使肝素化磁性纳米粒子固定在留置针的内表面；
在步骤2中，选择将肝素化磁性纳米粒子均匀分散在Tris缓冲液，pH为8.5。
步骤3，通过旋涂法将邻苯二酚修饰的壳聚糖的溶液涂覆于经步骤2处理后的留置针外表面。
在步骤3中，选择在涂覆之后进行真空干燥。
与现有技术相比，本发明的智能留置针在外层和内层分别修饰改性壳聚糖和肝素化磁性纳米粒子，并通过磁场控制来调节其抗凝血效果，可以保证在3小时能抗凝血，并在拔针时不出血，同时具备优异的止血效果，该制备方法简单，留置针功能可调，在植入过程中对血管以及五脏均无任何毒副作用，表现出良好的生物相容性。
附图说明
图1是本发明的智能留置针的设计路线示意图。
图2是本发明的智能留置针的扫面电子显微镜照片和能谱测试图。
图3是本发明的智能留置针的血小板粘附测试照片。
图4是本发明的智能留置针的兔耳缘静脉抗凝-止血实验结构示意图。
图5是本发明的智能留置针植入后兔耳缘静脉血管切片染色照片。
图6是本发明的智能留置针植入后兔五脏切片染色照片。
图7是本发明中使用的HepDA的核磁共振氢谱图。
图8是本发明中使用的HepDA的傅里叶红外谱图。
图9是本发明中肝素化磁性纳米粒子(FeNPs-HepDA)的zeta点位变化图。
图10是本发明中肝素化磁性纳米粒子(FeNPs-HepDA)的粒径分布图。
图11是本发明中肝素化磁性纳米粒子(FeNPs-HepDA)的粒径变化图。
图12是本发明中肝素化磁性纳米粒子(FeNPs-HepDA)的扫描电子显微镜(SEM)照片。
图13是本发明中肝素化磁性纳米粒子(FeNPs-HepDA)的细胞毒性测试结果柱状图。
图14是本发明中肝素化磁性纳米粒子(FeNPs-HepDA)的活化部分凝血活酶时间(APTT) 和凝血酶原时间(PT)的测试结果柱状图。
图15是本发明中肝素化磁性纳米粒子(FeNPs-HepDA)的原子力显微镜(AFM)照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
本发明使用的邻苯二酚修饰的壳聚糖的合成，按照下述步骤进行并可具体参考文献 (Chitosan-catechol：A polymer with long-lasting mucoadhesive properties，Biomaterials 52 (2015)161e170)：首先将1g壳聚糖溶解于0.1M盐酸中，调节pH到5.5，最终壳聚糖质量分数为1％。然后加入0.6g 3,4-二羟基苯基丙酸(HCA)，EDC(与HCA摩尔比1：1)，室温搅拌4h，冻干得到邻苯二酚修饰的壳聚糖(CHCS)。
本发明使用的肝素化磁性纳米粒子以聚赖氨酸修饰的三氧化二铁磁性纳米粒子为核，以带有负电的多巴胺修饰的肝素为壳，按照下述步骤进行并可具体参考中国发明专利申请“一种肝素化磁性纳米粒子及其制备方法和应用”的制备方法，在本申请中直接使用上述中国发明专利申请的制备方法和表征结果，以证实肝素化磁性纳米粒子的核壳结构和在磁场作用下均匀分布的相关性能(申请号为2019108654849，申请日为2019年9 月12日)：
步骤(1)依据参考文献(You,I.；Kang,S.M.；Byun,Y.；Lee,H.,Enhancement ofblood compatibility of poly(urethane)substrates by mussel-inspired adhesiveheparin coating. Bioconjug.Chem.2011,22,1264-9.)的方法制备多巴胺修饰的肝素(HepDA)：首先，将 1g肝素溶解在100mL pH 5.5的MES缓冲溶液中，之后加入5mM N-羟基琥珀酰亚胺 (NHS)和10mM 1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)，搅拌均匀，之后将混合溶液在室温下搅拌1h活化肝素上的羧基；待搅拌完成后，将0.3g多巴胺溶解于MES缓冲液中并加入到上述反应溶液中，在室温下大力搅拌反应过夜；反应结束后，在截留分子量为3500Da的透析袋中透析24h来除去未反应的分子，冻干得到产物多巴胺修饰的肝素(HepDA)。
步骤(2)将上述步骤制备得到的多巴胺修饰的肝素(HepDA)溶解于10mM pH 8.5Tris缓冲溶液，浓度为5mg/mL，将聚赖氨酸修饰的三氧化二铁纳米粒子(FeNPs)溶液与上述溶液混合，在室温下搅拌2h，然后5000rpm离心20min，真空干燥后得到核壳结构的肝素化磁性纳米粒子(FeNPs-HepDA)。
如附图7和8所示，将上述制备得到的HepDA进行核磁共振氢谱和红外光谱检测，由图7可见，其d＝2.8ppm(methylene)对应多巴胺上亚甲基的特征峰，由图8可见，其特征峰如下ν＝3436cm-1(s,NH),2924cm-1(m,NH),1557cm-1(vs,C＝O)，图8中灰色区域1557cm-1特征峰的出现代表酰胺键的产生。上述内容证实多巴胺与肝素通过酰胺化反应共价结合在一起，即多巴胺成功接枝到肝素上。
如附图9本发明中肝素化磁性纳米粒子(FeNPs-HepDA)的zeta点位变化图所示，聚赖氨酸修饰的FeNPs带有正电，电势为31.8±2.7mV，而负载肝素和多巴胺修饰的肝素的FeNPs-Hep和FeNPs-HepDA的电势分别为-35.5±3.3mV和-27.1±2.6mV。肝素带有大量的羧基，所以表面呈现负电荷，而多巴胺修饰的肝素占用了部分羧基形成酰胺键，所以FeNPs-HepDA的电势比FeNPs-Hep要低，由此证明纳米粒子核壳结构的成功合成。
在图10中，a为修饰前的聚赖氨酸修饰的三氧化二铁纳米粒子(FeNPs)的动态光散射粒径分布图，b为修饰后的聚赖氨酸修饰的三氧化二铁纳米粒子(FeNPs-HepDA)的动态光散射粒径分布图。由图4可见，未修饰前的FeNPs表现出窄分布，粒径为59.9±7.1nm，通过静电相互作用将HepDA负载到FeNPs表面之后，粒径增大，且分布变宽，粒径为162±10.3nm，由此证明了其外层涂层的形成。为了证实多巴胺接枝的肝素 (HepDA)可以进一步发生反应，以未修饰肝素作为阴性对照组，利用与上述相同的步骤将肝素负载到FeNPs表面得到FeNPs-Hep，并对其进行动态光散射。由图11可见，肝素修饰的FeNPs(FeNPs-Hep)的粒径仅能达到106±10.3nm，小于FeNPs-HepDA的粒径，这主要是由于肝素接枝多巴胺后可以发生进一步的氧化自聚反应，可以显著增大涂层的厚度。
为了直观看到本发明制备得到的纳米粒子的表面形貌和结构，将不同的纳米粒子分散在乙醇溶液中，超声搅拌均匀，取20mL溶液滴在预先清洗的硅片上，室温干燥12h，然后真空干燥2h，表面喷金处理后，通过扫描电子显微镜(SEM)观察。在图12中，a为修饰前的聚赖氨酸修饰的三氧化二铁纳米粒子(FeNPs)的SEM照片，b为修饰后的聚赖氨酸修饰的三氧化二铁纳米粒子(FeNPs-HepDA)的SEM照片。由图12可见，聚赖氨酸修饰的三氧化二铁纳米粒子(FeNPs)在被HepDA修饰后粒径显著增大，且表面形成核壳结构。由图13可见，FeNPs-HepDA的细胞活性达到80％以上，证明有效果。
活化部分凝血活酶时间(APTT)和凝血酶原时间(PT)主要反映内源性凝血系统状况和外源性凝血系统状况。由图14可见，肝素修饰的纳米粒子与纯肝素均具有良好的抗凝血性能，其中APTT测试值均超过120s，而正常空白组的APTT值仅为18s；而其PT 值与空白组相比，基本处在正常的波动范围之内，由此可以证明其抗凝作用还是改变内源性凝血行为。在图15中，a为聚四氟乙烯基板(PTFE)的AFM照片，b为磁场条件下肝素复合纳米粒子(FeNPs-HepDA)修饰的聚四氟乙烯基板的AFM照片，c为未加磁场条件下肝素复合纳米粒子(FeNPs-HepDA)修饰的聚四氟乙烯基板的AFM照片，d 为聚四氟乙烯基板(PTFE)以及分别修饰聚多巴胺(PDA)和肝素复合纳米粒子 (FeNPs-HepDA)的水接触角。由图15可见，纯聚四氟乙烯基板(PTFE)表现出比较光滑的表面，通过修饰肝素复合纳米粒子之后表现出粗糙的表面，在磁场条件下，纳米粒子可以均匀铺展在PTFE表面，表面粗糙度表现均一，而未加磁场控制时，纳米粒子会出现部分的团聚，表面形貌不规整；通过水接触角表征可以看到，PTFE表现出疏水的性质，表面水接触角为100.2°,而修饰多巴胺结构后接触角为67.9°，表面变得亲水，之后将纳米粒子修饰在表面后，接触角变为37.1°，表面亲水性质的改变有利于纳米粒子的铺展。
基于上述纳米粒子的制备和表征，本发明中留置针按照下述步骤进行：
步骤1，将多巴胺溶解于pH 8.5的Tris水溶液中，然后将上述溶液注入留置针的套管内，室温20—25摄氏度下反应6—12小时(在留置针内表面通过多巴胺自聚反应形成聚多巴胺层)，之后用去离子水冲洗3次，然后真空干燥待用。
步骤2，将制备的肝素化磁性纳米粒子均匀分散在Tris缓冲液中并注入经步骤1处理的留置针的套管内，通过施加磁场(即磁铁)以使肝素化磁性纳米粒子固定在留置针的内表面，分布均匀且避免团聚。
步骤3，将上述制备的邻苯二酚修饰的壳聚糖均匀分散在相应溶剂中以形成溶液，后将该溶液涂覆于经步骤2处理后的留置针外表面，之后进行真空干燥。
将按照上述步骤得到的智能留置针，通过扫描电子显微镜观察表面形貌，并且通过 X射线能谱分析其表面的元素分布。如附图2所示，留置针内表面表现出粗糙的界面，同时在套管内部检测到Fe元素的信号，证实肝素化的磁性纳米粒子固定于内表面，同时留置针外表面形成了一层高分子膜，表面光滑，通过能谱分析其主要元素为C，O，对比套管F元素的分布可以证实其壳聚糖膜的形成。
通过3000rpm离心收集得到的兔富血小板血浆，37℃下在留置针表面孵育30min，之后用PBS清洗3遍，然后2.5％戊二醛固定，乙醇梯度脱水后干燥，再进行SEM观察血小板的粘附和铺展情况。如附图3所示，a为改性壳聚糖修饰留置针，b为肝素化磁性纳米粒子修饰留置针，c为空白留置针(即采用本发明方案对留置针进行邻苯二酚修饰的壳聚糖修饰、肝素化磁性纳米粒子修饰)。通过对血小板粘附情况可以考察材料的止血效果，改性壳聚糖修饰的留置针表面可以富集大量血小板，且部分血小板出现伪足并贴紧表面，而肝素化磁性纳米粒子的留置针几乎没有血小板粘附，同时空白留置针由于其聚四氟乙烯惰性的表面性质，仅有少量血小板粘附，这也证实了改性壳聚糖具有良好的止血效果，而肝素化磁性纳米粒子具有优异的抗凝血性能。
智能留置针在兔耳缘静脉的抗凝血-止血实验，按照下述步骤进行：取2.0-2.5kg新西兰大白兔，6只一组，首先将兔子麻醉，然后将留置针插入到耳缘静脉，每隔0.5h取一次血来考查体内抗凝血效果，无法抽血视为凝血。当留置针无法抽血时，将留置针从拔出静脉，同时考查拔针后的出血量来代表材料的止血效果。取实验完毕后兔子的血管，多聚甲醛固定后，进行HE组织学染色，观察血管的炎症以及CHCS高分子膜的形成。取实验完毕后兔子的心、肝、脾、肺、肾五脏，多聚甲醛固定后，进行HE组织学染色，观察脏器的组织形态，考查材料对器官的毒性。
如附图4所示，智能留置针在兔耳缘静脉的抗凝-止血过程示意图，将上述三种不同修饰的留置针置于兔耳缘静脉，其中空白留置针在10min时发生凝血，无法从留置针中抽出血液，与此同时肝素封管的留置针可以抽出血液，证实其管内未发生凝血，但3小时后检测发生凝血现象。相比上述两组，由肝素化磁性纳米粒子和壳聚糖分别修饰内外表面的留置针，具有良好的抗凝-止血性能。
如附图5所示，拔针后血管切片染色图，a和b为智能留置针，c和d为空白留置针。从图中得知，智能留置针由于外面修饰了改性壳聚糖，所以在拔针时可以形成一层高分子膜有效防止出血，而空白留置针未发现任何变化。同时，血管和周边组织均未发现任何炎症反应，证实智能留置针在植入过程中对血管没有损伤。如附图6所示，兔五脏HE 切片染色照片，从图中得知，空白留置针以及修饰后的智能留置针在体内植入过程中，对脏器没有任何的病理性损伤，证实其在体内良好的生物相容性。
表1是本发明的智能留置针体内凝血实验检测结果。Group 1:空白留置针；Group2: 内层修饰肝素化磁性纳米粒子；Group 3:未加磁场条件下，外层和内层分别修饰改性壳聚糖和肝素化磁性纳米粒子；Group 4:在磁场控制下外层和内层分别修饰改性壳聚糖和肝素化磁性纳米粒子；Group 5:同剂量肝素封管；Group 6:外层修饰邻苯二酚壳聚糖。由此可知，本发明的技术方案Group 4:在磁场控制下外层和内层分别修饰改性壳聚糖和肝素化磁性纳米粒子，具有相对最好的凝血实验结构。
表1
Figure RE-GDA0002292039680000081
根据本发明内容进行工艺参数的调整，均可实现留置针的内外表面修饰，经测试表现出与本发明基本一致的性能。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有可调节止血—抗凝功能的智能留置针，其特征在于，在留置针内表面设置聚多巴胺层，在聚多巴胺层上设置肝素化磁性纳米粒子，在留置针外表面设置邻苯二酚修饰的壳聚糖涂层；肝素化磁性纳米粒子以聚赖氨酸修饰的三氧化二铁磁性纳米粒子为核，以带有负电的多巴胺修饰的肝素为壳。
2.根据权利要求1所述的一种具有可调节止血—抗凝功能的智能留置针，其特征在于，在留置针内表面通过多巴胺自聚反应形成聚多巴胺层。
3.根据权利要求1所述的一种具有可调节止血—抗凝功能的智能留置针，其特征在于，在留置针外表面通过旋涂法将邻苯二酚修饰的壳聚糖进行涂覆。
4.根据权利要求1所述的一种具有可调节止血—抗凝功能的智能留置针，其特征在于，在留置针内表面的聚多巴胺层上，通过外加磁场进行控制，以将肝素化磁性纳米粒子进行固定。
5.根据权利要求1所述的一种具有可调节止血—抗凝功能的智能留置针，其特征在于，肝素化磁性纳米粒子以聚赖氨酸修饰的三氧化二铁磁性纳米粒子为核，以带有负电的多巴胺修饰的肝素为壳，按照下述步骤进行：
步骤(1)以多巴胺和肝素为原料，利用1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和N-羟基琥珀酰亚胺通过酰胺化反应，制备出多巴胺修饰的肝素；
步骤(2)将步骤(1)制得的多巴胺修饰的肝素和聚赖氨酸修饰的三氧化二铁纳米粒子溶解于Tris缓冲液中，在室温下搅拌反应，以利用静电相互作用将带有正电荷的聚赖氨酸修饰的三氧化二铁磁性纳米粒子与带有负电的多巴胺修饰的肝素复合形成核壳结构的纳米粒子。
6.一种具有可调节止血—抗凝功能的智能留置针的制备方法，其特征在于，按照下述步骤进行：
步骤1，在留置针内表面通过多巴胺自聚反应形成聚多巴胺层；
步骤2，将均匀分散有肝素化磁性纳米粒子的溶液注入经步骤1处理的留置针的套管内，通过施加磁场以使肝素化磁性纳米粒子固定在留置针的内表面；
步骤3，通过旋涂法将邻苯二酚修饰的壳聚糖的溶液涂覆于经步骤2处理后的留置针外表面。
7.根据权利要求6所述的一种具有可调节止血—抗凝功能的智能留置针的制备方法，其特征在于，在步骤1中，将多巴胺溶解于pH 8.5的Tris水溶液中，然后将上述溶液注入留置针的套管内，室温20—25摄氏度下反应6—12小时，之后用去离子水冲洗3次，然后真空干燥待用。
8.根据权利要求6所述的一种具有可调节止血—抗凝功能的智能留置针的制备方法，其特征在于，在步骤2中，选择将肝素化磁性纳米粒子均匀分散在Tris缓冲液，pH为8.5。
9.根据权利要求6所述的一种具有可调节止血—抗凝功能的智能留置针的制备方法，其特征在于，在步骤3中，选择在涂覆之后进行真空干燥。
10.如权利要求1—5之一所述的留置针在制备可调节止血—抗凝器材中的应用。
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