CN114106493A

CN114106493A - 一种肝素化pvc材料、其制备方法及作为医疗器械的应用

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Publication number: CN114106493A
Application number: CN202210078299.7A
Authority: CN
Inventors: 满佳; 张永琪; 李建勇; 李剑峰; 宋鑫忠
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2022-01-24
Filing date: 2022-01-24
Publication date: 2022-03-01
Anticipated expiration: 2042-01-24
Also published as: CN114106493B

Abstract

本发明涉及一种肝素化PVC材料、其制备方法及作为医疗器械的应用。本发明公开了一种具有抗凝作用的肝素化PVC材料，其制备包括以下步骤：（1）利用等离子体改性设备对普通PVC医用材料进行表面改性，通过改变环境气体的组成，改变材料表面改性情况。（2）配置一定浓度的接枝溶液，将改性后的PVC材料浸泡到改性溶液中，控制反应条件将抗凝药物共价接枝到PVC导管表面。（3）将接枝后的导管用去离子水清洗后，室温下真空干燥，即得到肝素化PVC材料。该肝素化PVC材料，具备良好的抗凝作用、能够延长凝血时间，防止使用过程中血栓的形成和导管的堵塞，此外还具有较好的生物相容性，因此在医学领域具有较大的应用潜力。

Description

一种肝素化PVC材料、其制备方法及作为医疗器械的应用

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种肝素化PVC材料、其制备方法及作为医疗器械的应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

经过几十年来的发展和完善，体外循环技术已经成为了心脏外科手术中常用的辅助治疗技术。体外循环技术也常被用于人工心肺支持、急症抢救、心肺复苏、脏器移植和肿瘤治疗等方面，特别是在新冠疫情期间，支持人工心肺的体外膜肺氧合（ECMO）装置发挥了巨大的作用。体外循环主要由循环管道、氧合器等几部分构成，其中循环管道常由聚氯乙烯（PVC）等人工合成材料构成。由于这些人工合成材料的生物相容性较差，在与血液直接接触的过程中，会激活异物引起的内、外源性凝血响应，破坏血液成分，造成血栓的形成并引起炎症反应及其他严重并发症，影响手术效果。

目前，使用抗凝药物是防止血液凝固的常用方法，其中肝素是最常用的抗凝药物。肝素是一种水溶性的聚葡糖胺糖醛酸，它可以和抗凝血酶Ⅲ的赖氨酸部位结合，使其精氨酸反应中心的构型发生改变，充分暴露其活性部位，由慢性凝血酶抑制剂变成快速抑制剂，使抗凝血酶Ⅲ可以更好地跟凝血因子相结合，抑制凝血因子活性，从而起到抗凝作用。肝素在生物体内具有强烈抑制凝血激活的作用，在医学上常通过静脉注射等全身肝素化的方法来防止血液凝固，但全身肝素化会引起破坏机体对血液凝固的自身调节能力，从而引起自发性出血、凝血困难和超敏反应等并发症。目前，人们尝试通过在医用材料表面结合肝素分子的方法来实现在减少肝素使用量的同时增加材料的生物相容性的目的。

肝素与基底的结合方法大致分为三类：共价键结合方式、离子键结合方式和终点固定结合方式。离子键结合方式是基于肝素带负电荷的特性，在基底材料上引入带正电荷的偶联剂、表面活性剂或阳离子聚合物，使基底带正电荷，再与肝素进行静电吸附，通过离子键方式将肝素分子结合在基底材料上。共价键结合方式是基于肝素上含有大量活性基团的特性，在对高分子材料表面进行预处理后，使肝素与材料表面的活性基团发生作用，形成共价键，从而将肝素分子固定到材料表面。终点固定方式是在材料表面制备一种约束性离子复合物，再通过亚硝酸降解步骤活化肝素，使肝素分子产生终端自由基，使肝素通过氨化还原作用以共价键的方式结合到材料表面。针对上述制备方法，发明人认为，现有制备方法往往缺少对肝素接枝量调整的方式，且肝素化后的医用材料具有一定的使用风险，如：离子键结合的基底材料在使用过程中，肝素容易在液体的冲刷作用下脱落，共价键结合通常需要引入化学交联造成残留等。

发明内容

本发明目的首先在于提供一种具有抗凝效果的医用PVC材料，基于上述技术背景，本发明目的还在于减少肝素用量的同时，实现良好的生物相容性。

为了实现上述技术目的，本发明提供以下技术方案：

本发明第一方面，提供一种肝素化PVC材料，所述PVC材料表面至少具有肝素接枝，接枝密度为10~20μg/cm²，所述肝素通过酯键和/或亚胺键与PVC材料连接。

第一方面的一种实施方式中，所述肝素主要通过酯键（-COO-）与PVC材料连接。

第一方面的又一种实施方式中，所述肝素主要通过双酯键（-COO-）与PVC材料连接。

上述以酯键或双酯键进行共价键连接的方式，可以获得较高的肝素接枝密度，接枝密度可达到14~20μg/cm²。

第一方面的又一种实施方式中，所述肝素主要通过-NCH-COO-与PVC材料连接。

上述以-NCH-COO-与PVC材料表面连接的方式中，肝素接枝密度相对较低，可以实现10~14μg/cm²的接枝密度。

本发明提供的上述肝素化PVC材料，可通过不同的共价键结合方式实现接枝密度的调整，低密度肝素化PVC材料有利于降低机体肝素化带来的风险。本领域公知，肝素作为一种葡萄糖胺、L-艾杜糖醛苷、N-乙酰葡萄糖胺和D-葡萄糖醛酸交替组成的黏多糖硫酸脂，表面具有丰富的羟基、羧基及醛基，现有技术中通常采用交联剂实现肝素在PVC材料表面的接枝。本发明发现，以氦气作为阻挡介质进行等离子体辐照能够促使PVC材料表面羟基活化，而氦气与氧气混合作为阻挡介质获得的等离子体处理可以获得表面羧基活化的PVC材料，上述活化后的PVC材料在简单的酸催化条件下即可方便的与肝素偶联。

因此，本发明第二方面，提供一种第一方面所述肝素化PVC材料的制备方法，所述制备方法包括采用等离子体改性PVC材料，所述等离子体以氦气或包含氦气的气体作为阻挡介质。

第二方面所述制备方法的一种实施方式中，所述阻挡介质为纯氦气，所述等离子体设备的电压幅值为3~8KV、电压频率为30~50KHz，占空比为25%~55%，调制频率为80~120Hz，将PVC材料置于上述环境中辐照25~40min，可以获得表面羟基活化的PVC材料。

又一种实施方式中，所述阻挡介质为95%~99%氦气和1%~5%氧气的混合气体，所述等离子体处理设备的电压幅值为3~8KV、电压频率为30~50KHz，占空比为25%~55%，调制频率为80~120Hz，将PVC材料置于上述环境中辐照25~40min，可以获得表面羧基活化的PVC材料。

进一步的，所述等离子体设备的电压幅值为3~5KV、电压频率为34~45KHz，占空比为30%~45%，调制频率为90~110Hz。

进一步的，所述辐照时间为25~35min。

进一步的，上述混合气体中，所述氦气与氧气的混合比例为95：5或96：4或97：3或98：2。

上述以酯键（-COO-）作为共价键接枝的肝素化PVC材料，其制备方法如下：将上述表面羧基活化或表面羟基活化的PVC材料浸入肝素钠的酸性水溶液中，在45~65℃的温度下，以浓硫酸作催化剂反应4~8h得到肝素改性的PVC材料，即为以酯键（-COO-）作为共价键接枝的肝素化PVC材料。

进一步的，所述肝素钠的酸性水溶液中，肝素钠的质量分数为1%~5%，再用硫酸将溶液pH调至1.0~2.0。

上述以双酯键（-COO-）作为共价键接枝的肝素化PVC材料，其制备方法如下：将上述表面羧基活化的PVC材料浸入酸性海藻酸钠溶液中，在45~65℃的温度下，以浓硫酸作催化剂反应4~8h得到海藻酸钠接枝的PVC材料；将其干燥后浸入酸性肝素钠水溶液中以浓硫酸作为催化剂反应2~4h，反应结束后再用质量分数为1%~4%的氯化钙溶液浸泡交联0.5~1.5h得到海藻酸钠-肝素改性的PVC材料，即为以双酯键（-COO-）作为共价键接枝的肝素化PVC材料。

进一步的，所述酸性海藻酸钠溶液中，所述海藻酸钠的质量分数为1%~4%，加入硫酸将溶液pH调至1.0~2.0。

具体的实例中，所述海藻酸钠溶液的质量分数为1%，粘度系数为3~5mpa·s。

进一步的，上述酸性肝素钠水溶液的pH为1.0~2.0。

上述以-NCH-COO-作为共价键接枝的肝素化PVC材料，其制备方法如下：将上述表面羧基活化的PVC材料浸入壳聚糖的酸性溶液中，在45~65℃的温度下，加入少量浓硫酸作催化剂搅拌反应4~8h得到壳聚糖接枝的PVC材料；向肝素钠水溶液中加入高碘酸钠避光反应获得改性肝素钠溶液；将上述壳聚糖接枝的PVC材料浸入改性肝素钠溶液，加入NaBH₃CN溶液后在35~45℃的条件下反应5~8h得到壳聚糖-肝素改性的PVC材料，即为一种以-NCH-COO-作为共价键接枝的肝素化PVC材料。

进一步的，所述壳聚糖的酸性溶液中为壳聚糖的醋酸溶液，所述溶液中，壳聚糖的质量分数为1%~4%，醋酸溶液的质量分数为1~3%。

进一步的，所述高碘酸钠的加入量为肝素钠的20%~30%。

进一步的，所述避光反应时间为0.5~1.5h。

进一步的，所述改性肝素钠溶液的具体制备方法如下：向质量分数为1%~5%的肝素钠水溶液加入高碘酸钠避光反应，将反应后溶液用截留分子量为2.5~3.5kD的超滤离心管在12000~14000转/分的转速下离心18~22min，去掉超滤液，向保留液中补充去离子水，重复超滤步骤稀释5~10倍的得到改性肝素钠溶液。

所述NaBH₃CN溶液的浓度为0.4~0.6mol/L，加入量为改性肝素钠的溶液1/10~1/5。

本发明第三方面，提供一种方面所述肝素化PVC材料作为医疗器械的应用。

经验证，本发明提供的肝素化PVC材料具有良好的生物相容性，尤其适用于替代现有体外循环设备中直接接触体液、血液的各种PVC部件，如体外膜肺氧合（ECMO）装置的循环管路。

以上一个或多个技术方案的有益效果是：

1、本发明提供了一系列具有抗凝功能的肝素化PVC材料，能够起到很好的抗凝作用，在减少肝素使用量的情况下增加材料表面的生物相容性，抑制血栓的形成，大大延长医用PVC导管的使用寿命，降低患者治疗过程中的风险，减少患者治疗费用。

2、本发明的一个实施方式中，提供了所述肝素化PVC材料的制备方法，制备过程中不涉及有害化学试剂，并且不会对环境造成污染，作为医用器械的使用安全性更高。

一种具体的实例中，本发明提供了上述肝素化PVC材料作为体外循环医用导管材料的应用。经验证，上述工艺应用于医用导管材料，无需改进PVC导管原材料，且无需改进导管的加工设备，可直接在目前医用导管产品的基础上进行优化，处理方便，成本较低，能够快速推广应用，实用性较强。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为实施例1中所述②~⑤组改性方案示意图；

图2为实施例1-4中①~⑤组样品接触角测试结果；

图中所示PVC改性前后，表面接触角发生了变化，PVC的亲水性增强，因此可以表示PVC的表面性能发生了变化，生物相容性略有增强；

图3为①~⑤组样品ATR-FTIR红外光谱测试结果；

图中1039cm^-1处的峰为肝素的特征峰，②~⑤的红外光谱图中均存在1039cm^-1的峰，证明肝素接枝成功；⑤组样品在3340cm^-1处有宽且平缓的峰，证明壳聚糖在基底接枝成功；

图4至图8依次为①~⑤组样品XPS测试结果；

依据图4至图8所示，普通PVC在S元素的能谱处无明显特征峰，而②~⑤组改性的PVC在S元素的能谱处有明显特征峰，说明肝素成功接枝到PVC上。

图9肝素浓度测定的标准曲线；

图10为实施例1-4中所述①~⑤组样品肝素表面含量柱状图；

图11至图15依次为实施例1-4中所述①~⑤组样品表面血小板黏附SEM图像。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。

实施例1

利用等离子体处理设备在电压幅值为4KV、电压频率为40KHz，占空比为40%，调制频率为100Hz以及纯氦气环境的条件下对普通医用PVC材料改性30min，得到表面含有羟基的活化PVC材料。

取1g肝素钠溶解于100mL去离子水中，形成质量分数为1%的肝素钠水溶液，再用硫酸将溶液pH调至1.0。将上述步骤中等离子体处理得到的羟基改性PVC材料浸泡到酸性肝素钠溶液中，并在60℃的温度下，加入浓硫酸作催化剂搅拌反应6h后得到基底羟基改性的肝素抗凝导管②，未改性PVC材料为①。

实施例2

利用等离子体处理设备在电压幅值为4KV、电压频率为40KHz，占空比为40%，调制频率为100Hz以及氦气和3%氧气混合环境的条件下对普通医用PVC材料改性30min，得到表面含有羧基的活化PVC材料。

取1g肝素钠溶解于100mL去离子水中，形成质量分数为1%的肝素钠水溶液，再用硫酸将溶液pH调至1.0。将上述步骤中等离子体处理得到的羧基改性PVC材料浸泡到酸性肝素钠溶液中，并在60℃的温度下，加入浓硫酸作催化剂搅拌反应6h后得到基底羧基改性的肝素抗凝导管③，未改性PVC材料为①。

实施例3

等离子体改性同实施例2。

取1g粘度系数为1%粘度3~5mpa·s的海藻酸钠溶于100mL去离子水中，形成质量分数为1%的海藻酸钠溶液，再用硫酸将海藻酸钠溶液的pH调至2，将上述步骤中羧基改性的PVC材料浸泡到海藻酸钠溶液中，在60℃的温度下，加入浓硫酸作催化剂搅拌反应6h后得到海藻酸钠接枝的PVC材料，并用去离子水清洗后室温下真空干燥。将干燥后的海藻酸钠接枝PVC材料置入pH为1.0的肝素钠溶液中，在60℃的温度下，加入浓硫酸作催化剂搅拌反应4h，并用去离子水清洗，再用质量分数为2%的氯化钙溶液浸泡交联1h，最后将交联后的改性导管用去离子水清洗后室温下真空干燥，得到海藻酸钠-肝素改性导管④。

实施例4

等离子体改性同实施例2。

取1g肝素钠溶解于100mL去离子水中，形成质量分数为1%的肝素钠水溶液。取1g壳聚糖溶于100mL质量分数为2%的醋酸水溶液中，形成质量分数为1%的壳聚糖溶液。将上述步骤中羧基改性的PVC材料浸泡到壳聚糖溶液中，在60℃的温度下，加入少量浓硫酸作催化剂搅拌反应6h，得到壳聚糖接枝的PVC材料，并用去离子水清洗后干燥。向肝素钠溶液中，加入质量为肝素钠20%的高碘酸钠避光反应1h，将反应后溶液用超滤离心管在13000转/分的转速下离心20min，去掉超滤液，向保留液中补充去离子水，超滤三次后得到改性肝素溶液。将本步骤中的壳聚糖改性PVC浸泡到稀释10倍的改性肝素溶液中，再加入体积为改性肝素溶液1/10的0.5mol/L的NaBH₃CN溶液，混合后在40℃的条件下反应6h，用去离子水清洗后室温下真空干燥，得到壳聚糖-肝素改性导管⑤。

肝素表面含量测试：

针对实施例1-4中提供的改性导管进行肝素含量测定，首先建立肝素浓度测定的标准曲线：

以PBS缓冲液为溶剂，配置浓度为40μg/mL、20μg/mL、16μg/mL、10μg/mL、8μg/mL、4μg/mL、2μg/mL、0μg/mL一系列的肝素钠溶液。以质量分数为0.2%的氯化钠溶液为溶剂配置浓度为0.005%的甲苯胺蓝溶液。向10mL离心管中加入2.5mL不同浓度的肝素钠溶液，再加入2.5mL的甲苯胺蓝溶液，振荡混合2h后，离心后去除肝素-甲苯胺蓝的络合物。再加5mL的正己烷后振荡10min，去除溶液中残留的络合物。然后以等量0.2%NaCl溶液和PBS缓冲液的混合液为空白对照，利用紫外分光光度计测试甲苯胺蓝溶液在631nm处的吸光度光度值，建立肝素钠浓度测定的标准曲线，如附图5。

将样品剪成一定面积的小块，浸泡在2.5mLPBS缓冲液中，与等量的甲苯胺蓝振荡混合2h后，离心后去除肝素-甲苯胺蓝的络合物。再加5mL的正己烷后振荡10min，去除溶液中残留的络合物。然后以等量0.2%NaCl溶液和PBS缓冲液的混合液为空白对照，利用紫外分光光度计测试甲苯胺蓝溶液在631nm处的吸光度光度值，与标准曲线进行对照，得到样品表面肝素含量，如附图6。PVC改性前后，表面接触角发生了变化，PVC的亲水性增强，因此可以表示PVC的表面性能发生了变化，生物相容性略有增强。

肝素表面血小板黏附情况测试：

针对实施例1-4中提供的改性导管进行血小板黏附情况测试，测试方法如下：

取新鲜血液与10%浓度为0.109mol/L的枸橼酸钠溶液混合均匀，制备抗凝血液，将抗凝血液置于离心机中，在800r/min的转速下离心15min，取上层富血小板血浆用于血小板黏附实验。将一定面积的PVC片置于富血小板血浆中在37℃的环境中孵育1h，取出后用PBS缓冲液冲洗三次，然后将PVC片置于质量分数为2.5%的戊二醛水溶液中固定交联30min，然后用PBS缓冲液冲洗，并依次置于质量分数为40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%（v/v）的乙醇溶液进行分级脱水，在室温下晾干。表面镀金后进行SEM观察，得到样品表面血小板黏附情况，如附图7。图中，图①未改性PVC表面黏附血小板数量较多，并且大多数血小板都处于活化状态；图②~⑤所示，肝素化PVC表面黏附的血小板数量较少，并且大多数处于未活化状态，说明肝素化PVC表面可以抑制血小板的黏附和激活，从而防止血液在PVC表面的凝固，起到抗血栓的作用。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种肝素化PVC材料，其特征在于，所述PVC材料表面至少具有肝素接枝，接枝密度为10~20μg/cm²，所述肝素通过酯键与PVC材料连接；

或，所述肝素通过双酯键与PVC材料连接；

或，所述肝素通过-NCH-COO-与PVC材料连接。

2.权利要求1所述肝素化PVC材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括采用等离子体改性PVC材料，所述等离子体以氦气或包含氦气的气体作为阻挡介质。

3.如权利要求2所述肝素化PVC材料的制备方法，其特征在于，所述阻挡介质为纯氦气，所述等离子体设备的电压幅值为3~8KV、电压频率为30~50KHz，占空比为25%~55%，调制频率为80~120Hz，将PVC材料置于上述环境中辐照25~40min，获得表面羟基活化的PVC材料；

或，所述阻挡介质为95%~99%氦气和1%~5%氧气的混合气体，所述等离子体处理设备的电压幅值为3~8KV、电压频率为30~50KHz，占空比为25%~55%，调制频率为80~120Hz，将PVC材料置于上述环境中辐照25~40min，获得表面羧基活化的PVC材料。

4.如权利要求3所述肝素化PVC材料的制备方法，其特征在于，所述等离子体设备的电压幅值为3~5KV、电压频率为34~45KHz，占空比为30%~45%，调制频率为90~110Hz；所述辐照时间为25~35min；

或，所述混合气体中，氦气与氧气的混合比例为95：5或96：4或97：3或98：2。

5.如权利要求3所述肝素化PVC材料的制备方法，其特征在于，所述以酯键作为共价键接枝的肝素化PVC材料，其制备方法如下：将所述表面羧基活化或表面羟基活化的PVC材料浸入肝素钠的酸性水溶液中，在45~65℃的温度下，以浓硫酸作催化剂反应4~8h得到肝素改性的PVC材料；

所述肝素钠的酸性水溶液中，肝素钠的质量分数为1%~5%，再用硫酸将溶液pH调至1.0~2.0。

6.如权利要求3所述肝素化PVC材料的制备方法，其特征在于，所述以双酯键作为共价键接枝的肝素化PVC材料，其制备方法如下：将所述表面羧基活化的PVC材料浸入酸性海藻酸钠溶液中，在45~65℃的温度下，以浓硫酸作催化剂反应4~8h得到海藻酸钠接枝的PVC材料；将其干燥后浸入酸性肝素钠水溶液中以浓硫酸作为催化剂反应2~4h，反应结束后再用质量分数为1%~4%的氯化钙溶液浸泡交联0.5~1.5h得到海藻酸钠-肝素改性的PVC材料；

所述酸性海藻酸钠溶液中，所述海藻酸钠的质量分数为1%~4%，加入硫酸将溶液pH调至1.0~2.0。

7.如权利要求6所述肝素化PVC材料的制备方法，其特征在于，所述海藻酸钠溶液的质量分数为1%，粘度系数为3~5mpa•s；

或，所述酸性肝素钠水溶液的pH为1.0~2.0。

8.如权利要求3所述肝素化PVC材料的制备方法，其特征在于，所述以-NCH-COO-作为共价键接枝的肝素化PVC材料，其制备方法如下：将所述表面羧基活化的PVC材料浸入壳聚糖的酸性溶液中，在45~65℃的温度下，加入少量浓硫酸作催化剂搅拌反应4~8h得到壳聚糖接枝的PVC材料；向肝素钠水溶液中加入高碘酸钠避光反应获得改性肝素钠溶液；将所述壳聚糖接枝的PVC材料浸入改性肝素钠溶液，加入NaBH₃CN溶液后在35~45℃的条件下反应5~8h得到壳聚糖-肝素改性的PVC材料，即为一种以-NCH-COO-作为共价键接枝的肝素化PVC材料；

所述壳聚糖的酸性溶液中为壳聚糖的醋酸溶液，所述溶液中，壳聚糖的质量分数为1%~4%，醋酸溶液的质量分数为1~3%；

所述高碘酸钠的加入量为肝素钠的20%~30%；

所述避光反应时间为0.5~1.5h。

9.如权利要求7所述肝素化PVC材料的制备方法，其特征在于，所述改性肝素钠溶液的具体制备方法如下：向质量分数为1%~5%的肝素钠水溶液加入高碘酸钠避光反应，将反应后溶液用截留分子量为2.5~3.5kD的超滤离心管在12000~14000转/分的转速下离心18~22min，去掉超滤液，向保留液中补充去离子水，重复超滤步骤稀释5~10倍的得到改性肝素钠溶液；

10.权利要求1或2所述肝素化PVC材料作为医疗器械的应用；所述医疗器械为体外膜肺氧合装置的循环管路。