聚氨酯/(羧甲基壳聚糖/壳聚糖)n复合涂层血液相容性

赵 红, 邹 迪 婧, 李 颖, 齐 民, 杨 大 智

(大连理工大学材料科学与工程学院,辽宁大连 116024)

0 引 言

介入治疗心血管支架植入术作为治疗冠心病的一种有效方法,已在世界范围内广泛开展,但其植入后再狭窄的发生率达到10%～30%.血管平滑肌细胞的增生与迁移是引起再狭窄的主要原因.近两年来药物涂层支架的应用为缓解再狭窄提供了一线生机.然而,目前正在应用的抗增生药物涂层支架,在抑制平滑肌细胞生长的同时也阻碍了内皮化,内皮愈合时间延长,会引起晚期再狭窄[1～4].通过促进支架损伤后的组织愈合,加速支架内皮化,利用内皮对抑制血栓和组织增生的天然作用来治疗再狭窄是最有效、最安全和最自然的治疗方式,因此在支架表面构建快速内皮化涂层,制备生物工程支架,是新一代冠脉支架的发展趋势[5、6].

在生物工程支架中支架涂层起到细胞外基质作用,在支架表面制备仿细胞外基质涂层是提高涂层的生物相容性、抑制血小板黏附的有效途径.细胞外基质为生物大分子组成的网络状结构,在支架表面制备含有促进细胞生长的分子成分并形成网状拓扑结构的仿生细胞外基质涂层无疑将有利于内皮细胞粘附、生长[7～10].

医用聚氨酯具有良好的生物相容性,其力学适应性接近天然血管,目前已被用于制备人工血管、人工心脏等.天然高分子壳聚糖及其衍生物具有良好的生物相容性,并具有控制药物释放的能力,目前已广泛用做促进皮肤愈合的敷料[11～14].

本文首先通过静电喷涂方法在不锈钢基底上制备网状结构的生物相容性聚氨酯(PU)涂层,然后通过静电自组装方法在其上制备具有促进细胞生长的天然高分子羧甲基壳聚糖(CMCH)和壳聚糖(CH)超分子多层膜,获得网状聚氨酯、羧甲基壳聚糖、壳聚糖复合涂层PU/(CMCH/CH)n,并对其血小板黏附行为进行考察.

1 实验方法

1.1 静电纺丝PU网状涂层的制备

采用本研究室已探索出的工艺方法制备静电纺丝PU网状涂层[15].PU(型号为T80A,德国拜耳公司生产)平均相对分子质量Mr=138841;静电喷涂设备是自行设计的气-电纺丝机,通过调节静电纺丝电压参数,在直径为10 mm的不锈钢圆形基底上获得不同形貌的纤维涂层.

1.2 网状PU/(CMCH/CH)n复合涂层的制备

PU涂层的预处理[16]:将静电纺丝的PU网状涂层试样放入浓度为0.06 mg/mL的1,6-己二胺溶液中,使涂层表面引入-NH2基团,然后浸入到1 mol/L的HCl中使-NH2基团转变成为-NH+3,作为后续静电自组装的底层.

静电自组装复合涂层的制备:将上述预处理后的带阳离子的PU网状涂层试样放入质量分数为0.4%、pH=8的 CMCH水溶液中保持 10 min,使表面吸附一层带阴离子的CMCH分子,用去离子水冲洗,再放入质量分数为0.2%、pH=4的 CH醋酸溶液中保持10 min,用去离子水冲洗,使表面吸附一层带阳离子的CH分子,即完成了一个双分子层CMCH/CH的静电自组装过程.重复以上步骤,获得网状PU/(CMCH/CH)n多层复合膜.通过接触角测量仪(型号为DSA100,德国Kruss公司)测定各层的接触角(每个试样的接触角为试样上3个检测点的平均值),表征自组装过程并考察涂层的亲疏水性变化规律.

1.3 涂层的血液相容性实验

通过体外血小板黏附实验考察涂层的血液相容性:将新鲜抗凝人血离心15 min,转速为1500 r/min,取上部富血小板血浆,将试样浸入37℃的富血小板血浆中1 h后取出,经生理盐水液漂洗,2.5%戊二醛固定液固定30 min,再由酒精脱水,乙酸异戊酯脱醇,经临界点干燥后喷银,用扫描电镜观察血小板形态.

2 实验结果及分析

2.1 网状PU涂层的血小板黏附行为

图1 不同纤维直径PU涂层的血小板黏附SEM照片Fig.1 SEM images of platelets adhesion on PU fibers with different diameters

图1 为不同纤维直径的PU网状涂层上的血小板黏附形貌.在直径小于1 μ m的纤维上,黏附有数量较多的血小板,在直径大于2 μ m的纤维上几乎没有血小板黏附.在纤维交叠的夹角处也有较多黏附.图2为细纤维分布密度不同的PU网状涂层上的血小板黏附形貌,纤维分布密度越大,血小板黏附数量越多.血小板黏附性与材料化学成分、表面拓扑结构等诸多物理及化学因素有关.光滑的PU表面具有良好的血液相容性,常被用于制备人工血管,图3为在316L不锈钢表面通过浇铸法制备的光滑PU膜上的血小板黏附形貌,可见表面几乎没有血小板黏附.血小板尺寸为2～ 3 μ m,因此直径大于 2～ 3 μ m 的纤维表面,对于血小板的黏附行为与光滑平面的作用相似,直径大于2 μ m的PU纤维具有与光滑PU表面相似的血液相容性,抑制血小板黏附.

图2 不同纤维密度的PU涂层的血小板黏附SEM照片Fig.2 SEM images of platelets adhesion on PU fibers with different densities

图3 光滑PU膜表面的血小板黏附SEM照片Fig.3 SEM images of platelets adhesion on smooth PU coating

2.2 网状PU/(CMC H/CH)n复合涂层的亲疏水性

表1为复合涂层不同静电自组装层对接触角的影响,按照CMCH/CH 循环组装次序,1、3、5层为CMCH 层,2、4、6层为CH 层.可见网状PU涂层经预处理后呈现出较弱的亲水性,而吸附第1层CMCH 后接触角明显减小,亲水性增强;在其上吸附一层CH后,接触角又明显变大,呈现出疏水性.这是CMCH和CH分子亲水性强弱的影响.在不锈钢基底上对制备出的光滑均匀的CMCH、CH涂层的接触角检测结果显示,光滑CMCH涂层的接触角约为30°,呈现出较强的亲水性,而光滑CH涂层的接触角约为89°,呈现出弱的亲水性,因此在组装的CMCH和CH涂层上,显示出亲水性强弱的变化.然而随着组装层数n的增加,CMCH吸附层接触角呈现增大趋势,而CH吸附层接触角呈现减小趋势,即两相邻吸附层的接触角差值减小,亲水性差别减弱.这是由于静电自组装过程中,吸附的两相邻层高分子发生了相互穿插的空间分布结构,由此各层上都不同程度地含有CH和CMCH分子,涂层的亲水性是两类不同分子共同影响所致.

表1 复合涂层的接触角Tab.1 Contact angle of composite coatings

2.3 网状PU/(CMCH/CH)n复合涂层的血液相容性

本文考察了复合涂层的血小板黏附行为,图4为自组装不同分子层对应的血小板黏附形貌.结果表明:网状复合涂层血小板黏附数量比组装前的网状PU涂层明显减少,且随着静电自组装层数的增大,血小板黏附数量趋于降低,组装层数达到第7层后,即使在直径小于1 μ m的细纤维上也只有极少量的血小板黏附.且由图4可以看到CMCH作为最外层的第7层与CH作为最外层的第8层,血小板黏附数量差别不大,分析认为这与静电自组装相邻涂层分子之间产生的交互穿插分布有关,随着层数的增加,相邻CMCH和CH层的接触角差别减小,涂层的亲疏水性趋于接近,从而相邻的CMCH和CH层具有相似的血液相容性.因此可以通过静电自组装过程改善涂层的血液相容性.

图4 复合涂层不同自组装层的血小板黏附SEM照片Fig.4 SEM images of platelets adhesion on different self-assembling composite coatings

3 结 论

(1)对于网状PU涂层,血小板较易黏附于直径1 μ m以下的细纤维上,细纤维数量越多,血小板黏附的数量越多.

(2)网状PU/(CMCH/CH)n复合涂层血小板黏附数量较少,血液相容性提高.

[1]JAMSHIDI P,TOGGWEILER S,ERNE P.In-stent restenosis and thrombosis 41 months after drug-eluting stent implantation[J].International Journal of Cardiology,2008,130(3):111-113

[2]M ANI G,FELDMAN M D,PATEL D,et al.Coronary stents:a materials perspective [J].Biomaterials,2007,28(9):1689-1710

[3]O′BRIEN B,CARROLL W.Theevolutionof cardiovascular stent materials and surfaces in responsetoclinical drivers:A review [J].Acta Biomaterialia,2009,5(4):945-958

[4]韩文正,方唯一.药物涂层支架负面作用的新认识及防治进展[J].心血管病学进展,2008,29(5):748-751

[5]AOKI R J,SERRUYS P W,VAN BEUSEKOM H.Endothelial progenitor cell capture by stents coated with antibody againstCD34:Healthy endothelial accelerated lining inhibits neointimal growth-first in man[J].JournaloftheAmerican Collegeof Cardiology,2005,45(10):1574-1579

[6]LOSORDO D W,ISNER J N,DIAZ-SANDOVAB L J.Endothelial recovery:the next target in restenosis prevention [J]. Circulation, 2003, 107(3):2635-2637

[7]范德增,贾志远,严心浩,等.类细胞膜仿生药物缓释涂层冠脉支架材料的研究[J].生物医学工程学杂志,2007,24(3):599-602

[8]王晓丽,计 剑,徐建平,等.医用不锈钢的细胞膜仿生表面修饰[J].材料研究学报,2006,20(6):561-564

[9]HUANG LY,YANG M C.Surface immobilization of chondroitin 6-sulfate/heparin multilayer on stainless steel for developing drug-eluting coronary stents[J].Colloids and Surfaces B:Biointerfaces,2008,61(1):43-52

[10]TEPE G,SCHMEHL J,WENDEL H P,et al.Reduced thrombogenicity of nitinol stents—In vitro evaluation ofdifferentsurfacemodifications and coatings[J].Biomaterials,2006,27(4):643-650

[11]DEMIR M M,YILGOR I,YILGOR E,et al.Electrospinning of polyurethane fiber[J].Polymer,2002,43(11):3303-3309

[12]曹 农,王爱琴.壳聚糖衍生物的抗凝血活性[J].中国生化药物杂志,1998,19(3):148-151

[13]TAN Q,JI J,BARBOSA M A,et al.Constructing thromboresistantsurfaceon biomedicalstainless steel via layer-by-layer deposition anticoagulant[J].Biomaterials,2003,24(25):4699-4705

[14]岳 磊,赵 红,杨大智.医用不锈钢表面生物活性纳米多层膜的制备及血液相容性[J].生物医学工程学杂志,2008,25(1):108-112

[15]邹迪婧,赵 红,齐 民,等.溶剂对静电纺丝聚氨酯纤维仿生涂层的影响[J].功能材料,2007,38(7):1176-1181

[16]竺亚斌.胺解改性含酯基聚合物材料生物材料及其生物相容性[D].杭州:浙江大学,2003