改善生物医用纤维材料表面血液相容性研究进展

毛迎，李超婧，王富军，王璐

纺织面料技术教育部重点实验室，东华大学纺织学院(上海，201620)

改善生物医用纤维材料表面血液相容性研究进展

毛迎，李超婧，王富军，王璐

纺织面料技术教育部重点实验室，东华大学纺织学院(上海，201620)

随着医用合成纤维材料在生物医学领域的广泛应用，对其性能的要求也不断提高，近年来许多学者对医用合成纤维材料的表面改性进行了深入的研究，并取得了一定的进展。该文主要从等离子体改性、材料表面内皮化和表面接枝改性三方面论述了医用合成纤维材料血液相容性的表面改性研究。

医用合成纤维材料;血液相容性;等离子体改性;表面内皮化;表面接枝改性

0 引言

医用纺织品是各种医用、特别是对生物体进行诊断、治疗、置换和增进某受损组织和器官的功能性纺织产品的总称，既属于产业用纺织品领域，又属于医疗用品范畴，是纺织、材料与医学科学深度交叉的产物。医用合成纤维材料是生产医用纺织品的主要原料之一。近年来，医用合成纤维材料发展迅速，已经广泛应用在组织再生、骨骼填补再生、创伤治疗、生物粘合剂、放射治疗、透析和过滤、美容外科等具有发展潜力的领域。虽然医用纺织品在我国医疗防护、卫生保健领域得到广泛应用，但是在外科用植入性和体外过滤用纺织品方面，特别是人工器官类医疗器械仍主要依靠进口，其主要原因在于制备人工器官的材料尚未达到理想的要求。尽管许多医用合成纤维材料具有良好的力学性能和一定的生物学性能，但是仍不能满足实际使用要求。在各种医用纺织品中尤其是血管移植物，与血液直接接触时，不可避免地产生凝血、细菌感染或机体损伤等，而这些问题直接关系到移植的成败。解决这些问题的关键是提高植入器械的血液相容性，而植入器械的血液相容性往往取决于原料自身的性能。目前为止，还没有一种医用合成纤维材料的血液相容性能满足理想的性能要求。因此，许多学者针对医用合成纤维材料的血液相容性展开了大量的研究，本文就其研究进展综述如下。

1 等离子体改性

等离子体技术是20世纪60年代以来，在物理学、化学、电子学、真空技术等学科的基础上交叉发展形成的一门新兴技术，利用等离子体技术可以实现一系列传统化学工艺处理所不能实现的纺织材料表面改性效果。借助等离子体技术可以通过等离子体表面聚合、表面处理及表面接枝等方法实现对目标材料的改性。

1.1 等离子体聚合

等离子体聚合是利用放电把有机气态单体等离子化，使其产生各类基团，这些活性基团之间及活性基团单体之间进行加成反应，从而可以形成无孔超薄、均匀耐磨且具有良好粘附性的聚合膜。等离子聚合膜的研究始于20世纪60年代，由于其具有较常规聚合膜更优良的性能而广泛应用于生物材料［1］，Chen Y等［2］利用乙烯等离子体聚合对聚四氟乙烯进行改性，结果显示聚四氟乙烯表面的亲水性得到较好的改善。有人指出亲水性的改善有利于增强材料的血液相容性［3］。Kumar DS等［4］通过等离子体聚合将聚乙二醇(PEG)聚合在聚酯(PET)具有表面，结果表明改性后的PET高度亲水，其表面变光滑，且血小板粘附大大降低，进而可以推断将PEG等离子体聚合到基片上可以提高PET基片的血液相容性。

1.2 等离子体处理

等离子体处理主要是用非聚合性的无机体产生的等离子体对高分子材料进行处理，在材料表面导入各种功能团，使材料表面润湿性和表面张力发生显著变化，而蛋白质和细胞在材料表面的粘附行为也随之变化，最终材料的血液相容性发生改变。Liu W等［5］对聚乳酸纳米纤维进行氧气等离子体处理，结果发现，等离子体处理后聚乳酸纳米纤维的亲水性提高、含氧基团增加，而且纤维的细胞粘附得到明显改善。Weibel DE等［6］对聚氨酯(PU)膜进行丙烯酸(AAc)蒸气等离子体处理，制备出了表面与AAc化学性质相似的薄膜。Simor M等［7］在聚酯(PET)纤维表面涂层聚氨酯前，对纤维进行了等离子体处理，结果显示等离子体处理提高了PU在PET纤维表面的粘附，这对改善PET纤维的血液相容性是有利的。Gomathi N等［8］指出经氮气等离子体处理后聚丙烯表面润湿性提高、细胞粘附增加、血小板粘附减少，其血液相容性得到明显地改善。

1.3 等离子体接枝

等离子体接枝是利用等离子体技术处理后，材料表面会产生一定量的活性基团，形成活性中心，然后与单体接触进行接枝聚合反应。Kim YJ等［9］在聚酯(PET)表面等离子体接枝丙烯酸后，获得了具有良好的抗血栓性能。Chen JP等［10］将明胶等离子体接枝到聚乳酸(PLLA)纳米纤维表面上，不仅有利于细胞生长，而且为细胞增殖提供了一个更加有利的环境，接枝明胶后聚乳酸纳米纤维的血液相容性可能得到一定的改善。Li YH等［11］在聚氨酯(PU)表面等离子体接枝胶原蛋白(COL)后，发现PU-COL复合膜移植物可以减少急性炎症反应，它在诱导组织再生和血液相容性方面可能具有很大的优势。

2 材料表面内皮化

内皮细胞具有抗凝、调控细胞增殖和抑制血栓形成等重要功能，抗凝血材料表面内皮细胞化，可以减少血栓的形成和血小板激活，对材料血液相容性的改善具有显著的影响。材料表面内皮化的关键是提高内皮细胞的粘附和促进细胞生长，而大量的研究显示，材料表面的物理形貌和物理化学特性都与细胞的粘附、生长有着紧密的联系［12-15］。

2.1 提高内皮细胞的黏附

如果将内皮细胞直接种植到材料表面，当其与血液或组织液等液体环境接触时很易受到冲刷而脱落，这样内皮细胞在材料表面就无法正常增殖生长，更不可能实现材料表面内皮化和提高材料的血液相容性。因此，借助一些处理技术对材料表面进行一定的改性是必要的。Gabriel M等［16］对可生物降解的聚己内酯(PCL)进行直接表面改性，他们发现与未经表面处理的聚合物相比，内皮细胞在经过精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸共价涂层(RGD)改性的PCL表面的粘附能力大约提高了11倍。Bacakova L等［17］在聚苯乙烯表面进行氟离子注入，结果显示处理后的聚苯乙烯表面对细胞的粘附能力明显增强。Seeto WJ等［18］在动态条件下测试了内皮祖细胞在肽接枝聚乙二醇水凝胶上的粘附性能，结果显示肽接枝聚乙二醇水凝胶为细胞粘附提供了一个良好的平台。

2.2 促进内皮细胞的生长

将内皮细胞种植到材料表面后，细胞的生长是实现内皮化的关键。一般来说，接种后内皮细胞生长的越快越好，材料表面内皮化的效果就越好。内皮细胞直接生长的环境即材料表面，通过一定的改性处理后能够促进细胞增殖，但是目前为止并没有研究资料报道材料表面特性与细胞生长之间的精确关系。Gumpenberger T等［19］用紫外灯照射聚四氟乙烯(PTFE)试样对其进行光化学改性，研究表明改性后的PTFE明显促进内皮细胞增殖。Motwani MS等［20］指出纳米尺寸可以促进细胞相互作用，所以纳米形貌表面有利于内皮细胞生长增殖。Narayan D等［21］使用致孔剂对PLLA和PLGA进行改性，结果发现细胞在改性后的PLGA上的生长随着PLGA中孔洞尺寸和孔洞间距的减小而加快。

3 材料表面接枝改性

材料表面接枝改性是指将具有生物活性的分子固定在材料表面提高其亲水性及生物活性，降低表面自由能，可以明显地降低纤维蛋白原的吸附、沉积以及血小板的活性，显现出极好的血液相容性。材料表面接枝改性的关键是材料表面接枝方法和生物活性分子的研究与选择，目前常用的生物活性分子有肝素、白蛋白和磷酰胆碱聚合物。

3.1 肝素固化研究

肝素是一种磺酸化的线型阴离子聚糖，它通过抑制凝血酶原的活化，延缓及阻止纤维蛋白的凝聚作用而防止凝血。目前，许多学者已经成功实现了肝素分子在生物材料表面上的固定化，从而大大提高了生物医用材料的抗凝血性能［22-25］。叶勇等［26］用戊二醛将肝素共价结合在经等离子体处理的丝素表面，具有较强的抗凝血活性。经稳定性试验分析，肝素与丝素膜结合稳定牢固不易被洗脱。Bezuidenhout D等［27］通过接枝共聚和胺化作用在聚氨酯表面形成约2μm厚的肝素凝胶层，大鼠皮下植入实验表明，该改性的聚氨酯可以促进血管的形成，而不会引起额外的炎症反应，这对血管移植和细胞移植将有很大的帮助。Tang M等［28］指出，肝素类表面改性似乎在提高材料血液相容性方面是一个很有前途的方法。

3.2 白蛋白固化研究

白蛋白是血浆中含量最多、分子最小、溶解度大且功能较多的一种蛋白质。当材料与血液接触时首先是材料表面吸附血浆蛋白，蛋白质吸附层的组成与构象决定了材料的血液相容性行为，当表面吸附层主要是白蛋白时，材料表面的抗凝血性能可以得到显著地提高［29］。Houska M等［30］利用层层自组装技术在ELISA聚苯乙烯板表面交替吸附白蛋白和肝素，结果发现白蛋白-肝素涂层可以增强对凝血酶的抑制作用，而且这种抑制作用随着涂层数目的减少而降低。Sperling C等［31］发现聚醚砜表面不管是吸附白蛋白还是吸附白蛋白-肝素，涂层后的聚醚砜血液相容性都得到一定的提高，其中白蛋白-肝素涂层比白蛋白涂层更有效。

3.3 接枝磷酰胆碱聚合物

磷脂是细胞膜和各种细胞器膜的重要成分，类磷脂结构的高分子材料表面具有强烈吸附血液中磷脂分子的作用。当血液与材料表面接触时，血液中的磷脂分子首先被吸附结合到材料表面自组装成单层完全覆盖的类似生物体表面的磷脂层，从而使蛋白质与材料表面的相互作用变弱，蛋白质与血细胞不被吸附和激活，阻碍了凝血的发生。大量研究结果表明，磷酰胆碱基团修饰材料表面，可显著提高材料的血液相容性［32］。夏成勇等［33-34］在人工血管表面接枝2-甲基丙稀酰氧基乙基磷酰胆碱(MPC)后，研究发现磷酰胆碱接枝的人造血管较接枝前具有更好的血液相容性。Yang DZ等［35］在聚氨酯(PU)表面进行了聚乙二醇(PEG)和MPC接枝，研究发现改性后的PU在体外具有高效的抗血小板粘附性能和良好的血液相容性。Yu HF等［36］发现MPC的聚酯(PET)薄膜比没有处理的PET薄膜亲水性提高、对血小板的粘附程度降低。Zheng ZW等［37］指出MPC接枝是制备具有亲水性并且能够降低蛋白质吸附的PET表面的一种有效途径。

4 结语

通过许多学者的共同努力，医用合成纤维材料的血液相容性研究取得了巨大的成就，但距离达到理想要求尚有差距，许多改性方法仍存在一些问题，例如:等离子体改性虽然能使材料的性能得到明显改善，但改性的表面会随着时间的推移而逐渐退化;材料表面内皮化研究中，虽然能使内皮细胞在材料表面更好的黏附和生长，但仍未实现完全理想的生物化材料表面的目标;尽管肝素涂覆在生物材料的表面技术已经商业化［29］，但是肝素价格昂贵、易引起自发性出血，在生物医用领域仍具有严重的局限性。提高材料表面血液相容性的理想结果就是获得一个生物化的材料表面，单一的改性方法已经无法满足目前所需材料的性能要求，多种改性方法相结合是材料表面改性的发展趋势，通过结合多种改性方法使材料在移植前期具有高效的抗凝功能，同时在移植中后期实现快速内皮化是未来改善材料血液相容性的最有效手段之一。

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联影PET-CT获日本市场准入许可

2015年8月25 日，由上海联影医疗科技有限公司自主研发的高性能医学影像产品——联影96环光导PET-CT，经全球顶尖认证机构TÜV南德意志集团、日本公司权威评测，在产品性能、安全性能及覆盖产品生命全周期的质量管理体系等方面各项指标已全面符合以一直以“严谨、严苛”闻名于世的日本法规标准。获得了日本医疗器械的上市许可证(JFDA)，可以进入日本市场。

联影产品得到了CFDA、CE与JFDA许可，通过了三大认证体系的标准，是本地化标准向国际化标准的全方位接轨。它将为联影高端医疗器械产品进入国际市场奠定基础。

(本刊讯)

Progress for the Surface M odification of the M edical Synthetic Fiber M aterials to Im prove the Blood Com patibility

MAO Ying，LIChaojing，WANG Fujun，WANG Lu
Key Laboratory of Textile Science and Technology，Ministry of Education，College of Textiles，Donghua University(Shanghai，201620)

With the wide applications of themedical synthetic fibermaterials in the biomedical field，the demand for its performance has been improved.In recent years，many researchers have studied the surfacemodification of themedical synthetic fibermaterials，and havemade some progress.This paper presents the progress of themedical synthetic fibermaterials surfacemodification in blood compatibility，focusing on plasma surfacemodification，surface endothelialization and surface graftingmodification.

medical synthetic fiber materials，blood compatibility，plasma surface modification，surface endothelialization，surface graftingmodification

R318.08

A

1674-1242(2015)03-0173-05

10.3969/j.issn.1674-1242.2015.02.011

2015-06-04)

中央高校基本科研业务经费(NS2013);国家自然科学基金(31100682);“111计划”(B07024)

毛迎，专业方向:生物医用纺织材料与技术专业

王富军，E-mail:wfj@dhu.edu.cn