血液灌流器吸附材料研究进展

刘贻声 张林 洪良通 叶晓燕 广东省医疗器械质量监督检验所 （广东 510080）

人体内毒素分为外源性毒素和内源性毒素两类，外源性毒素是由于体外的致病物质进入人体聚集而引起的病变；内源性毒素是由于自身解毒系统、免疫系统和代谢系统的故障，引起代谢产物积累而形成的有毒物质。正常情况下，人体内的肝脏解毒系统、免疫系统、排泄系统均进行解毒、去除或中和内外源性毒物，但对某些急性药物中毒、尿毒症、肾衰竭、肝衰竭、高脂血症和系统性红斑狼疮等免疫性疾病，常需要用血液净化疗法进行治疗[1]。血液净化是通过血液透析、血液滤过、血液灌流和血浆置换等技术，将血液中积聚的毒素或多余成分除去。血液净化治疗可以直接从患者血液中清除病原或毒素，进而调节机体内微环境的稳定性，以达到缓解和治疗疾病的目的[2]。血液灌流技术由于过敏反应微弱，适应性广，治疗成本低，成为极具发展潜力的血液净化技术。血液灌流技术的核心就是吸附材料的使用，吸附材料不仅应对人体安全无毒、无过敏反应，不引起热源，而且具有稳定的化学性质、不破碎、不易脱落和良好的血液相容性等使用要求，因而，吸附材料的发展决定血液灌流器的应用和推广。

1.吸附材料工作原理

1.1 化学吸附

化学吸附主要是通过共价键的螯合、配位等价键作用以及离子键的电荷平衡来达到吸附毒素的目的，主要包括离子交换树脂、螯合剂等。

离子交换树脂类吸附材料通过材料的定向合成及改性制备出带不同种电荷的交换树脂，根据同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引的原理，对带不同电荷的分子进行选择性吸附。Bronnima[3]用AmberliteIRA-900 类离子交换树脂对尿毒症、急性肝衰竭患者进行了血液灌流治疗，证明离子交换树脂对非结合型胆红素及巴比妥类药物有良好的吸附性能。

但是离子交换树脂由于选择性低、有效期短、吸附效率低，而且还能吸附人体内的必须带电电解质成分，对人体的电解质平衡产生破坏，因而临床实际应用较少，仅处于理论研究阶段。

1.2 物理吸附

物理吸附主要依靠的是吸附树脂与被吸附物质间的范德华力、偶极作用、疏水作用以及氢键等较弱的相互作用力，因而吸附完成后，在一定条件下毒素易脱离，清除效率较低。活性炭类材料、炭化材料、极性和非极性吸附树脂均属于物理性吸附。它们多为多孔微球，通过疏水作用等从血液中吸附一定的疏水性物质；非极性吸附树脂主要是通过范德华力从水溶液中吸附一定的疏水型毒素，极性吸附树脂不仅具有一定的范德华力作用，氢键作用或者偶极作用是其吸附毒素的主要方式。

1.3 亲和吸附

亲和类吸附剂多为一些结构复杂的特种免疫吸附材料，既有氢键、范德华力等作用的物理性吸附，也有共价键、阴阳离子作用的化学吸附。由于多重价键的作用使得吸附材料的结构稳定，解决了由于微量抗原或抗体脱落而引发的免疫反应。这类吸附材料一般通过生物亲和设计，引入可以进行特异性吸附的抗体-抗原或者或补的DNA 链等，对目标物质呈现专一性和高选择性，在生化物质的分离、临床检测、血液净化等治疗方面有重要用途。

亲和吸附剂成功的案例为治疗系统性红斑狼疮抗DNA 抗体吸附剂，以小牛胰腺DNA 为配基，固定在交联聚乙烯醇多孔微球载体上，能够吸附抗DNA 抗体和免疫复合物。

2.吸附材料种类

血液灌流用吸附剂要具有很高的吸附性和血液无毒性。至今，已陆续研究开发出一些高分子吸附材料，其中包括天然高分子吸附材料和合成高分子材料，常用吸附材料有多功能炭材料、多糖类、高分子吸附树脂、免疫吸附剂等。

2.1 多功能炭材料

2.1.1 活性炭

活性炭是一种多孔性、高比表面积的广谱医用吸附剂，由植物等经高温炭化、活化过程制成。活性炭孔径较小，孔隙率高，孔径分布较宽，能吸附多种化学物质，特别是药物、毒物、具有很高的清除率，但它对水、电解质、尿素及中分子的清除率低、选择性差。另外，炭微粒的脱落会引起栓塞，使其应用受到限制。

活性炭包覆技术解决了血液相容性差和微小炭粒脱落的问题，改善了活性炭的临床应用。但活性炭为广谱吸附材料，选择性低，应用受到一定的限制。另外活性炭的孔以微孔（孔径d ＜2nm）为主，微孔结构较难通过活化达到中孔结构，因而对中分子毒素的吸附能力有限。

1946 年，Yatzidis[4]首次采用活性炭对尿毒症患者进行血液灌流实验。结果发现活性炭可以有效地清除如肌酐、尿酸、尿兰母、酚类、胍类等内源性毒素，但由于活性炭粉的脱落进入血液引发严重的过敏反应，使直接用活性炭进行的血液灌流实验失败。Chang[5]于1957 年提出人工细胞概念，并制备出活性炭微胶囊，解决了在血液灌流中由于血液相容性差和微小炭粒脱落造成血栓塞和白血球、血小板下降问题，使得活性炭血液灌流在医疗领域中的应用成为可能。20 世纪80年代初，钱绍诚、宋继昌等[6]利用聚丙烯酰胺加明胶包覆椰壳活性炭制备吸附材料，用来治疗安眠药中毒、重度昏迷、呼吸及循环衰竭等病症，经多次血液灌流后，90%的病例治愈。2004 年南京大学彭艾[7]把纤维素包膜活性炭用于血液灌流治疗敌敌畏中毒。研究发现，各种临床指标均有明显改善，死亡率从34.1%降至7.5%。

目前，已使用的活性炭包覆材料有白蛋白火棉胶、聚丙烯酸水凝胶、聚甲基丙烯酸羟乙酯、聚甲基丙烯酸、聚乙烯醇缩丁醛、醋酸纤维素、尼龙及明胶等。活性炭吸附材料现已广泛应用于吸附血液中的有害物质，如肌酐、脂肪酸、胆红素、酚类、尿素、中分子物质、农药等。

此外，20 世纪80 年代初研制开发的炭化树脂，提高了活性炭吸附材料的吸附性能和机械强度，一定程度上解决了活性炭的炭微粒脱落、血液相容性差的问题，而且又具有大孔结构及可调节孔径大小分布的特点，有望制成具有“裁制”性吸附性能的炭吸附剂，赋予其良好的应用前景[8,9]。

2.2.2 碳纳米管

与活性炭相比，碳纳米管具有中空管状结构，比表面积大，而且表面富含活性基团，具有一定的吸附优势，非常有利于中分子毒素的吸附。

叶超[10]研究了两种不同形态的碳纳米管（随机生长多壁碳纳米管和定向生长多壁碳纳米管）对典型的中分子毒素的吸附性能，研究发现碳纳米管的多中分子毒素的吸附能力是活性炭的10.8倍，大孔吸附树脂的5.5 倍；吸附平衡时间缩短到10min 左右，而活性炭需要60min，吸附树脂需要120min。李桂芬[11]选取维生素B12(VB12)作为中分子毒素的模拟物，模拟碳纳米管对VB12的吸附，结果碳纳米管的中孔孔隙结构远比活性炭发达，具有比活性炭更大的比表面积，更快的吸附速率、更大的吸附量，而且碳纳米管上多为多分子层吸附。

目前，在碳纳米管的制备过程中，会保留其表面的活性基团，可以通过表面修饰的方法接种特异性吸附物质，用来制备碳纳米管基体的特异性吸附材料，扩大碳基材料的使用范围。

2.2 树脂吸附材料

高分子吸附树脂多是一类具有空腔或者表面活性基团的三维网络结构高分子聚合物，可根据分子设计合成目标产物，使其具备特定的吸附性能。按照吸附方式不同可分为离子交换树脂和吸附树脂两类。

2.2.1 离子交换树脂

离子交换树脂吸附材料是一类带有可离子化基团的三维网状交联聚合物，包括中性、阴离子、阳离子交换树脂。离子交换树脂的骨架和载体均为三维交联聚合物，耐溶剂性强，而且聚合物上所带的功能基团可以离子化。离子交换树脂吸附的主要原理是根据同电荷相斥、异电荷相吸的原理，对带相反电荷的分子进行选择性吸附。

阳离子吸附树脂表面带有一些阳离子功能基团如固定有多粘菌素的纤维载体(PMX-F)、聚乙烯酞胺(PEI) 与二乙烯二胺(DEAF)等阳离子修饰包裹的纤维素珠、琼脂糖、硅土、树脂等，对血液中带阴离子的溶质成分具有较好的吸附能力，如内毒素等[12]。

目前的离子交换树脂的高分子载体多为聚苯乙烯类和丙烯酸酯类，聚苯乙烯具有优异的力学性能以及不易被氧化、水解或高温降解等，而且芳香环易进行表面修饰，苯乙烯强酸性阳离子交换树脂是应用最广的品种；丙烯酸酯类的抗有机污染性好，但是其耐氧化性差，应用受到限制。

2.2.2 吸附树脂

吸附树脂主要是依靠树脂表面的极性、非极性基团来清除毒素，分为极性和非极性吸附树脂，极性树脂易吸附极性水溶性物质，非极性树脂多吸附脂溶性物质。在合成树脂的过程中可以通过分子设计或者表面改性，赋予树脂不同的特定吸附基团，而且所得的树脂化学稳定性好、不易脱落，逐渐成为特异性吸附剂的重点。

国内的何炳林团队制备出了多种吸附胆红素、胆汁酸等毒素的大孔树脂，不仅对于脂溶性的胆红素有较强的结合能力，对水溶性的白蛋白胆红素吸附率也较高，现已初步用于人工肝支持装置[13,14]。2002 年，徐建宽[15]通过在环氧聚乙烯醇球上固载多乙烯多胺和磺酸基团制备出一种低密度脂蛋白吸附剂，研究表明，该吸附剂具有较大的吸附量和较好的选择性。

目前，国内外研究团队多以丙烯酸树脂、聚苯乙烯、聚乙烯醇等高分子合成材料为基体树脂制备吸附材料。丙烯酸树脂骨架为交联烷基结构，疏水型好，而且富含的大量酯基基团使其具有良好的血液相容性；聚苯乙烯具有较高的机械强度，还可用作生物支架，而且它对小分子毒素的吸附容量较高；聚乙烯醇具有良好的水溶性和可修饰性，常用于制备水凝胶。

2.3 多糖类

多糖类是一种高分子吸附分离材料，琼脂糖、壳聚糖和纤维素等均属于多糖类材料。多糖类材料用于血液灌流时，可以利用共价键固载各种修饰基团，提高其对目标物质的吸附选择性，多糖类吸附材料具有血液相容性好、无毒性的优点，而且由于多糖类结构多富含活性基团，化学修饰容易。但是这种材料的吸附量较小、材料本身的强度较低，所以是今后推广研究的重点。

南开大学袁直[16,17]用戊二醛交联壳聚糖吸附模拟中分子毒物，并进一步研究了二乙烯氨基修饰壳聚糖的吸附性能。结果显示，经氢化还原的壳聚糖树脂对中分子物质有着较强的选择性吸附，对分子量1100 左右的肽类物质吸附达到最高。

多糖类物质由于均为可再生资源，来源广泛，而且结构表面富含羟基、氨基、乙酰氨基等活性基团，化学修饰容易，接种免疫蛋白可利用于特种免疫吸附中，是应用于血液灌流器比较理想的材料。

2.4 免疫吸附剂

免疫吸附剂利用高度特异性的抗原-抗体或有特定物理化学亲合力的物质（配基）结合在吸附材料（载体）上，从血液中特异性的吸附并除去与免疫有关的致病因子。免疫吸附剂的研究主要集中在特异性吸附功能基的选择和载体骨架的合成上。

活性免疫吸附材料是通过包埋或化学键联的方法，将生物活性物质如抗原或抗体等配体固载到载体上，利用抗原-抗体之间的特异性反应，专一地清除或吸附患者血液中的抗体、抗原或免疫复合物等病源物质，将免疫吸附用于血液净化，清除患者体液潜在的自身免疫致病因子以及循环免疫复合物。

常用的免疫吸附剂有金黄色葡萄球菌蛋白A、抗人免疫球蛋白抗体、补体、疏水性氨基酸、硫酸葡聚糖、已二异氰酸酯、合成多肽(如乙酚胆碱受体多肽)，在制备过程中将这些吸附剂交联固定在载体分子上，而后者多为琼脂糖、聚乙烯醇、纤维素，聚丙烯酰胺等。

1979 年，Terman D S[18]将研制的免疫吸附剂用于体外循环免疫吸附诊治系统性红斑狼疮及肾炎获得成功。1982 年, Yamazak[19]采用聚乙烯醇凝胶树脂连接氨基酸作为免疫吸附剂，用来治疗类风湿关节炎, 经血液灌流后的病人关节疼痛减轻, 其皮肤溃疡及血管炎症好转。1999 年，贾凌云[20]等以纤维素复合膜为基质偶联蛋白，制得新型的免疫吸附材料。研究表明，对人血浆中IgG的吸附量可达到21.5mg/g，并证实了体外血液循环过程安全可靠。2002 年，颜伟荣[21]等通过对载体材料的优化及对配基的筛选发现，使用质量分数为6%的纤维素球形载体，以环氧氯丙烷法活化并固定上L-色氨酸作为配基制备的血液灌流材料在静态吸附实验（1g 吸附剂加入3ml 患者血清，室温，3h）中可使抗体水平下降25%以上，吸附量达3.669×10-3nmol/g，选择性都较高，可逐步获得临床应用。

俞玫[22]采用聚甲基丙烯酸甲酯树脂为载体，对其进行化学表面修饰，接种内毒素抗体，合成一系列内毒素吸附材料。研究了配体种类、间隔臂长度以及邻近β 位羟基对吸附毒素效果的影响，发现了配体为二甲基胺或β 位有羟基时，吸附材料具有静电作用或者可能形成氢键，可以大大提高吸附剂对内毒素的吸附效果。Kato[23]等人研究将DNA 固载于聚乙烯基对苯二酸酯(PET)的表面，制得免疫吸附剂，从而亲和吸附抗-DNA 抗体。李湛勇[24]采用1,4-二羟基正丁烷双缩水甘油醚活化壳聚糖树脂，偶联抗-乙型肝炎表面抗原单克隆抗体，对含乙型肝炎表面抗原的患者进行血液吸附试验，取得了较好的效果。

由于免疫吸附具有专一性，能够特定的致病毒素，是一种新颖而有效的治疗自身免疫系统疾病的方法，免疫吸附剂因此而具有“靶向”性吸附作用，在临床医学，包括免疫治疗和免疫检测等方面具有良好的应用前景。

3.结束语

血液灌流器虽然起步晚，但是由于其有效的净化结果、多功能的特异性吸附以及低廉的治疗成本，对于某些血液病患者，血液灌流已逐渐成为最有效的血液净化方式。但是，作为一个新型产业，血液灌流器也有一些亟待解决的问题，最主要的技术就在于灌流器吸附材料的研究。未来血液灌流吸附材料的发展方向主要在以下方面：（1）对传统活性炭类吸附材料进行改性，扩大其应用范围，并推广应用市场；（2）材料来源逐渐由以天然高分子为主向以合成医用高分子为主发展；（3）提高材料的血液相容性、吸附容量、吸附效果以及吸附选择性等；（4）对于免疫吸附生物大分子材料，研究发展新型的高分子吸附树脂；（5）吸附材料的骨架结构由疏水型向疏水与亲水混合型骨架结构发展。

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