专利名称：共价交联凝胶改性人工植入体的方法
技术领域：
本发明属于生物医学材料领域，涉及一种用共价交联凝胶对人工植入体进行表面修饰和改性使其具有良好血液相容性和组织相容性的方法。
背景技术：
生物医用材料及其制品在使用过程中，大都要与人体接触，因此制品的表面性能至关重要。特别是对插入血管里的导管来说，其抗凝血性，抗菌性和抗磨(或亲水润滑)性是非常重要的，它关系到治疗的成败。这些性能都会影响人体对插入导管的反应，如血栓形成、细菌感染以及由插入导管而带来的机体损伤等。为改善制品的血液相容性、组织相容性，人们做了大量研究，如采用材料表面肝素化、表面接枝、表面等离子体处理、蛋白修饰等方法对制品的表面进行改性，采用各种可降解涂层以减轻血小板及血细胞的粘集，并希望随着涂层逐步降解，内皮细胞逐步爬行覆盖。Satoshiniu等采用多聚环氧化合物做交联剂，在人工血管上形成明胶-肝素涂层抑制血小板的聚集、纤维素的形成，同时利于吻合口内膜的长入。Himyukinkito在血管假体内表面涂布硫酸软骨素及透明质酸，外表面涂以明胶层，以达到内表面抗血小板、血细胞吸附，外表面吸引周围组织长入的目的。Aruma在内膜剥脱的血管周围放置浸有内皮细胞的明胶海绵，利于内皮细胞的迁移及旁分泌等作用减少内膜的增生。
尽管膨体聚四氟乙烯(ePTFE)已成功地应用于较大直径血管的制造，但对于直径小于6mm的血管，由于血液凝结或组织堵塞的原因，这些材料无能为力。虽然在经过不断的改进和修饰后，长期通畅率有一定的提高，但与自体隐静脉相比仍不能获得满意的效果，血液相容性和组织相容性问题还远未解决，给动脉搭桥手术带来一系列问题。由于只有人工血管的表面与血液接触，所以目前的工作主要集中在对现有材料表面修饰与改性上，以达到血管植入的要求。
肝素(Hep)是一种天然的凝血抑制剂，具有很强的抗凝血作用。通过将肝素分子固定在人工血管的表面上来提高其抗凝血性能的方法一直是研究的热点。早期的研究人员使用离子键合的方式将肝素固定于生物材料的表面。从表面缓慢溶解下来与抗凝血酶-III(AT-III)在表面附近粘结在一起形成活的抗凝血剂。但由于溶解作用，肝素很快耗尽，因此这种方法只适用于短期血液导管。后来，人们将肝素通过共价键结合的方式将肝素直接连接于基体表面，稳定性大大提高，可适用于长期血液导管和人工血管。但就固定化肝素的抗凝血性能来说，一般却正好相反。因为硬连接的肝素不仅降低了人工血管的弹性而且不能与抗凝血酶很好的配合。因此，如何提高共价键合肝素的抗凝血性，同时又不影响材料的本体性能，一直是生物材料肝素化研究的主要内容。研究表明如果使肝素分子与聚合物表面保持一定距离将提高抗凝血性能。此外，为了使固定肝素具有较高的抗凝血性，除了减少固定化对肝素生物活性的影响外，还应该提高材料表面固定化肝素的浓度。
海藻酸(Alg)是一种天然高分子多糖聚合物，能生成具有良好生物相容性的水凝胶，被广泛用作生物材料的覆盖物。以海藻酸钠水凝胶作为人工血管等人工植入体的覆盖物，虽然能够增加其表面的亲水性和组织相容性，但是却缺少相应的抗凝血性能。若将海藻酸钠与肝素分子结合起来，既能增强人工血管的亲水性和组织相容性，又能增强其抗凝血活性。肝素和海藻酸钠本身都具有强的负电荷、亲水性和较多的活性官能团，但是构成人工血管的聚四氟乙烯等聚合物具有很强的化学惰性和疏水性，不能与肝素或海藻酸钠分子直接反应。因此，共价结合法的主要步骤是对构成人工血管的聚合物材料表面进行化学预处理，使其具有和肝素或海藻酸钠分子的反应能力，然后再键合肝素或海藻酸钠分子。目前虽然存在多种对人工血管预处理的方法，但均存在所需仪器设备昂贵、对材料本体结构有影响、操作工艺复杂等问题，难以广泛使用。
Nafion(全氟磺酸)具有很高的稳定性和生物惰性，因而具有很好的生物相容性。由于Nafion具有与Teflon(特氟龙)相似的疏水氟碳骨干分子结构，使全氟磺酸与聚四氟乙烯血管之间具有强的疏水作用，有利于在血管的表面形成全氟磺酸涂层。全氟磺酸吊链上的亲水的磺酸基可为进一步固定其它分子提供活性基团，因此不需要对具有很强的化学惰性和疏水性的人工植入体进行复杂的化学预处理。近十年来静电吸引层层自组装技术受到国内外广泛重视，其基本方法和原理是通过聚阳离子和聚阴离子的静电引力作用在基底表面交替吸附聚阴离子和聚阳离子的多层聚合物分子膜，它不仅可方便地在分子水平上控制膜的组成及结构，而且可以在纳米尺度上控制膜的厚度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用共价交联凝胶对人工植入体进行表面修饰和改性使其具有良好血液相容性和组织相容性的方法。本发明是这样实现的a、将聚阴离子和聚阳离子通过静电吸引作用交替沉积到人工植入体的表面上，或者直接将阳离子表面活性剂沉积到人工植入体的表面上代替聚阴离子和聚阳离子；b、配制含羧酸基团的聚合物溶液或者是其与生物活性物质的混合溶液，并将其涂布到人工植入体的表面上，加入适量的多元胺和[1-ethyl-3-(3-dimethylamino-propyl)]-carbodiimide(EDC)交联；c、用CaCl2(或BaCl2)和其它无机盐的混合溶液清洗人工植入体，水洗，干燥。
本发明的方法具有以下优点(1)不需要对人工植入体进行化学预处理，既经济又可避免由于预处理对材料本体性能造成的损害。
(2)在人工血管的表面涂覆海藻酸钠凝胶不仅增加了人工血管的柔韧性，而且为人工血管肝素化提供了软支撑，使肝素分子与人工血管表面有一定距离，从而提高其抗凝血性能，克服了在传统肝素化方法中将肝素硬连接到材料的表面使抗凝血性能降低的缺点。
(3)采用肝素/海藻酸钠复合凝胶对人工植入体进行表面修饰与改性，不仅可提高其抗凝血性能，而且可大大增强其组织相容性。
(4)利用多元胺与含羧基的聚合物及肝素共价交联生成凝胶将肝素固定在人工植入体的孔隙中，不仅大大增加肝素浓度，还可以延缓肝素的释放速度。
(5)带有负电荷的肝素与海藻酸钠凝胶可以减少带负电荷的血小板的粘附和聚集。
(6)本发明工艺简单，反应条件温和，易操作，重现性好，环境友好，适用于多种复杂体型的材料表面、生物医用装置和多孔组织工程支架材料及其宏观制品的抗凝血表面修饰，具有良好的应用前景。
图1为表面衰减全反射红外光谱(ATR)图(1)聚四氟乙烯人工血管(ePTFE)；(2)灌注了4个Nafion/壳聚糖(Chi)双层的聚四氟乙烯人工血管(ePTFE-(Naf/Chi)4)；(3)肝素固定后的聚四氟乙烯人工血管(ePTFE-(Naf/Chi)4-Hep/Alg)。
图2为灌注修饰前后聚四氟乙烯血管的接触角检测结果。
图3为灌注修饰前后聚四氟乙烯血管的血小板粘附扫描电镜检测结果A和B为聚四氟乙烯人工血管(ePTFE)；C和D为肝素固定后的聚四氟乙烯人工血管(ePTFE-(Naf/Chi)4-Hep/Alg)。其中A和C放大倍数为5000倍，B和D为10000倍。
具体实施例方式具体实施方式
一本实施方式是这样实现的a、将人工植入体浸泡在有机溶剂中超声清洗，干燥；b、将浓度为0.01-100mg/ml的聚阴离子和浓度为0.01-100mg/ml的聚阳离子通过静电吸引作用交替沉积到人工植入体的表面上，或者直接将浓度为0.01-100mg/ml的阳离子表面活性剂沉积到人工植入体的表面上代替聚阴离子和聚阳离子，吸附时间为0.1～300分钟；c、配制浓度为0.01-100mg/ml的含羧酸基团的聚合物溶液或者是其与生物活性物质的混合溶液，并将其涂布到人工植入体的表面上，加入浓度为0.01-100M的的多元胺和浓度为0.01-100M的[1-ethyl-3-(3-dimethylamino-propyl)]-carbodiimide(EDC)交联，静置0.1～300小时；d、用CaCl2(或BaCl2)和其它无机盐的混合溶液清洗人工植入体，水洗，干燥。
本实施方式中，清洗人工植入体用的有机溶剂为无水乙醇、丙酮、甲醇或者它们的混合物。
本实施方式中，人工植入体可以是包括膨体聚四氟乙烯在内的各种材料制成的各种口径的人工血管，也可以是各种材料制成的各种口径的血导管、聚合物膜或多孔支架，以及用玻璃、陶瓷、硅、各种金属或各种聚合物等材料制成的各种形状的生物医学装置，优选聚四氟乙烯人工血管。
本实施方式中，聚阴离子为海藻酸钠、硫酸葡聚糖、肝素、硫酸肝素、聚谷氨酸、羧甲基纤维素钠、聚阴离子纤维素、全氟磺酸(Nafion)、聚苯乙烯磺酸钠、硫酸软骨素、聚丙烯酸钠、透明质酸、聚甲基丙烯酸中的一种或几种的混合物，优选全氟磺酸。
本实施方式中，聚阳离子可选用壳聚糖、鱼精蛋白、聚精氨酸、聚烯丙基铵盐酸盐、聚二烯丙基二甲季铵盐、胶原、多聚赖氨酸、阳离子葡聚糖、二苯胺-4-重氮树脂、取代二苯胺重氮树脂(如3-甲氧基二苯胺-4-重氮树脂、N-甲基二苯胺-4-重氮树脂、2-硝基二苯胺-4-重氮树脂、2-磺酸二苯胺-4-重氮树脂、N-甲基二苯胺-2-重氮树脂)中的一种或几种的混合物，优选壳聚糖。
本实施方式中，阳离子表面活性剂的通式为 式中R是十碳到十八碳C10～C22的长碳链，R1、R2、R3一般是甲基CH3或乙基C2H5，x是氯Cl、溴Br、碘I或其它阴离子基团，优选为十六烷基三甲基溴化铵。
本实施方式中，含羧酸基团的聚合物可选用海藻素钠、聚谷氨酸、羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠、透明质酸、聚甲基丙烯酸中的一种或几种的混合物，优选为海藻酸钠。
本实施方式中，生物活性物质包括肝素、硫酸肝素、水蛭素、细胞黏附因子、细胞生长因子或细胞分化因子，如成纤维细胞生长因子(FGF)、表皮细胞生长因子、血管内皮细胞生长因子(VGF)、骨形态发生蛋白(BMP)、转化生长因子(TGF)、各种抗生素(如ciprofloxacin、托普霉素和利福平等)，优选肝素。
本实施方式中，多元胺是小分子多元胺和聚多胺，小分子多元胺包括乙二胺、丙二胺、丁二胺、戊二铵、己二胺、二正辛胺、二正壬胺、二正癸胺的一种或其混合物，聚多胺包括聚乙烯基亚胺、聚烯丙基胺中的一种或其混合物，优选乙二胺。
本实施方式中，其它无机盐可以是氯化钠、氯化铵、硫酸铵、氯化钾、磷酸钠、磷酸钾等，优选为氯化钠。
具体实施方式
二本实施方式是这样实现的(1)人工血管预处理将人工血管于无水乙醇中超声清洗1～300分钟，在10～150℃下干燥0.1～24小时。
(2)用0.01～30wt％全氟磺酸溶液灌注人工血管，浸泡1-300分钟，晾干。
(3)0.01-100mg/ml壳聚糖溶液灌注已干燥的人工血管，浸泡1-300分钟，用水洗涤。
(4)重复步骤(2)和(3)，直达到所需(全氟磺酸/壳聚糖)双层的数目为止。
(5)配制肝素与海藻酸钠混合溶液，加入适量的乙二胺和[1-ethyl-3-(3-dimethylamino-propyl)]-carbodiimide(EDC)后混合均匀，灌注修饰了全氟磺酸/壳聚糖的人工血管，静置0.1～300小时。
(6)先用CaCl2和NaCl混合溶液浸洗人工血管，然后用水洗净，干燥。
本实施方式步骤(1)中，超声时间优选为30分钟，干燥温度优选为60℃，干燥时间优选为0.5小时。
本实施方式步骤(2)中，全氟磺酸溶液的浓度优选为0.1wt％，浸泡时间优选为1小时，室温下干燥时间优选为24小时。
本实施方式步骤(3)中，壳聚糖溶液浓度优选为1mg/ml，浸泡时间优选为30分钟。
本实施方式步骤(5)中，混合溶液中肝素优选浓度1wt％，海藻酸钠也为优选浓度1wt％，乙二胺的浓度优选为0.031M，EDC的浓度优选为0.33M，静置时间优选为3天。
本实施方式步骤(6)中，混合溶液中CaCl2的浓度优选为2.5mM和NaCl的浓度优选为143mM。
本实施方式采用灌注和浸泡的方式将全氟磺酸和壳聚糖交替组装在人工血管的表面上和孔隙间，增加了化学惰性很强的聚四氟乙烯人工血管表面的亲水性，同时也为后面的修饰提供了正电荷。这样，可以方便地将带有负电荷的肝素/海藻酸钠凝胶通过静电吸引作用沉积到人工血管表面上和孔隙间。在EDC的作用下，乙二胺上的氨基与海藻酸钠和肝素上的羧基共价结合形成酰胺基，生成一种透明的、含水量高的水凝胶，从而将肝素固定在人工血管管壁的孔隙中和表面上。与将单分子层的肝素硬连接到人工血管表面上相比，肝素在人工血管表面上的浓度大大提高。由于有海藻酸钠水凝胶作软支撑，可很好地保持肝素原有的生物活性。同时，由于与海藻酸钠共价交联，可延长肝素的释放时间。此外，通过调节肝素与海藻酸钠的摩尔比可以方便地控制肝素在人工血管表面上的浓度。乙二胺与海藻酸钠和肝素共价结合的反应示意图如下 需要指出的是，在此反应中，也会有海藻酸钠之间通过乙二胺交联或者肝素之间通过乙二胺进行交联的情况。
本实验用表面衰减全反射红外光谱法(ATR-FTIR)检测肝素化的人工血管[ePTFE-(Naf/Chi)4-Hep/Alg]。图1中，在1205和1149cm-1处强的吸收峰，可归属于聚四氟乙烯(ePTFE)的特征谱带。由于全氟磺酸与聚四氟乙烯具有相似的氟碳骨干分子结构，因此特征谱带与聚四氟乙烯有重叠。但在ePTFE-(Naf/Chi)4红外谱图上位于1056cm-1处的弱峰，证实了(Naf/Chi)4已经修饰在人工血管上。从图1中肝素化的人工血管[ePTFE-(Naf/Chi)4-Hep/Alg]的红外光谱图上可以观察到肝素和海藻酸钠的羟基(-OH)在3287cm-1的特征吸收，而未肝素化的人工血管[ePTFE-(Naf/Chi)4]则无此类吸收。此外，在肝素化的人工血管红外谱图上还明显地观察到了乙二胺的氨基与海肝素或藻酸钠的羧基共价结合形成的酰胺结构(-CO-NH-)产生的特征谱带[1626(C＝O，I谱带)、1565(δN-H和γC-N混合，II谱带)]，说明了肝素和海藻酸钠凝胶已经成功地通过乙二胺交联在聚四氟乙烯血管上。肝素海藻酸钠凝胶的表面固定是人工血管表面的壳聚糖的正电荷基团与肝素及海藻酸钠上的带负电荷基团(如-SO4-和COO-等)通过形成离子键相互作用实现的，而之后乙二胺与肝素及海藻酸钠上的羧基等基团的交联反应则有利于成膜覆盖。
图2和表1的接触角测定结果显示，灌注了肝素和海藻酸钠的复合凝胶后，人工血管的接触角为82.82°，明显小于修饰前人工血管的接触角(125.38°)，有力地说明了经过凝胶修饰后，聚四氟乙烯人工血管由修饰前的疏水性变为了亲水性，从而增强了人工血管的组织相容性。溶血试验结果(表2)更进一步证明了用共价交联的肝素和海藻酸钠复合凝胶修饰聚四氟乙烯人工血管后，其组织相容性得到进一步提高。
表1 灌注修饰前后人工血管的接触角检测
表2 灌注修饰前后人工血管的溶血度检测
APTT(部分凝血酶原活化时间)测定是在血浆中加入APTT试剂(接触因子激活剂和部分磷脂)和Ca2+，测定血液出现凝固的时间，其意义在于检测内源性凝血系统。当血液中纤维蛋白原、凝血酶原等凝血因子缺乏或有抗凝物质存在时，APTT会有所延长。PT(凝血酶原时间)是在血浆中加入Ca2+和组织因子(组织凝血活酶)后测定凝血时间，它可以反映血浆中凝血酶原、因子V、因子VII、因子X以及纤维蛋白原水平，用于检测外源性凝血系统。
将聚四氟乙烯人工血管与新鲜枸橼酸钠抗凝血液接触30～100s，离心取上层血浆，用血凝仪检测APTT和PT，结果见表3。当与血液接触的时间为45s时，用肝素和海藻酸钠复合凝胶修饰后的人工血管的APTT为47s，较未修饰的人工血管有延长(35.3s)。当与血液接触时间增加至100s时，修饰后的人工血管APTT超过120s，较修饰前有明显延长。当与血液接触的时间为45s时，修饰前后的人工血管PT变化不明显。当与血液接触时间增加至100s时，PT由修饰前的15.7s延长至复合凝胶修饰后的70s以上，说明与血液接触时间的长短对PT有很大的影响。这是因为随着与血液接触时间的延长，肝素释放增多，血液中凝血因子消耗增多，导致了凝血时间的延长。
表3 灌注修饰前后人工血管的抗凝血性检测
血液与高分子材料表面接触时，会引起血小板粘附，扩张变形。这一变化在后来的血栓形成过程中起着重要的作用。因此，生物材料表面粘附血小板的数量和形态变化已成为评价材料血液相容性的一个重要指标。图3为灌注修饰前后聚四氟乙烯血管的血小板粘附扫描电镜检测结果。从图中可以看出修饰前后的人工血管表面粘附的血小板数量都很少。但是，在与富血小板血浆接触的1小时中，修饰前的人工血管表面粘附的血小板发生了聚集，血小板形态发生变化、可看见伪足伸出。而修饰后的人工血管血小板形态尚未发生变化，也没有发生聚集。结果说明了肝素和海藻酸钠的复合凝胶能够降低血小板与人工血管表面的粘附，从而有效地阻止凝血系统的启动，起到较好的抗凝血作用。
权利要求
1.共价交联凝胶改性人工植入体的方法，其特征在于它是这样实现的a、将聚阴离子和聚阳离子通过静电吸引作用交替沉积到人工植入体的表面上；或者直接将阳离子表面活性剂沉积到人工植入体的表面上代替聚阴离子和聚阳离子。b、配制含羧酸基团的聚合物溶液或者是其与生物活性物质的混合溶液，并将其涂布到人工植入体的表面上，加入适量的多元胺和[1-ethyl-3-(3-dimethylamino-propyl)]-carbodiimide(EDC)交联；c、用CaCl2(或BaCl2)和其它无机盐的混合溶液清洗人工植入体，水洗，干燥。
2.根据权利要求1所述的共价交联凝胶改性人工植入体的方法，其特征在于所述人工植入体可以是包括膨体聚四氟乙烯在内的各种材料制成的各种口径的人工血管，也可以是各种材料制成的各种口径的血导管、聚合物膜或多孔支架，以及用玻璃、陶瓷、硅、各种金属或各种聚合物等材料制成的各种形状的生物医学装置，优选聚四氟乙烯人工血管。
3.根据权利要求1所述的共价交联凝胶改性人工植入体的方法，其特征在于所述聚阴离子为海藻素钠、硫酸葡聚糖、肝素、硫酸肝素、聚谷氨酸、羧甲基纤维素钠、聚阴离子纤维素、全氟磺酸(Nafion)、聚苯乙烯磺酸钠、硫酸软骨素、聚丙烯酸钠、透明质酸、聚甲基丙烯酸中的一种或几种的混合物，优选全氟磺酸。
4.根据权利要求1所述的共价交联凝胶改性人工植入体的方法，其特征在于所述聚阳离子可选用壳聚糖、鱼精蛋白、聚精氨酸、聚烯丙基铵盐酸盐、聚二烯丙基二甲季铵盐、胶原、多聚赖氨酸、阳离子葡聚糖、二苯胺-4-重氮树脂、取代二苯胺重氮树脂(如3-甲氧基二苯胺-4-重氮树脂、N-甲基二苯胺-4-重氮树脂、2-硝基二苯胺-4-重氮树脂、2-磺酸二苯胺-4-重氮树脂、N-甲基二苯胺-2-重氮树脂)中的一种或几种的混合物，优选壳聚糖。
5.根据权利要求1所述的共价交联凝胶改性人工植入体的方法，其特征在于所述阳离子 表面活性剂的通式为式中R是十碳到十八碳C10～C22的长碳链，R1、R2、R3一般是甲基CH3或乙基C2H5，x是氯Cl、溴Br、碘I或其它阴离子基团，优选十六烷基三甲基溴化铵。
6.根据权利要求1所述的共价交联凝胶改性人工植入体的方法，其特征在于所述含羧酸基团的聚合物可选用海藻酸钠、聚谷氨酸、羧甲基纤维素钠、聚丙烯酸钠、透明质酸、聚甲基丙烯酸中的一种或几种的混合物，优选海藻酸钠。
7.根据权利要求1所述的共价交联凝胶改性人工植入体的方法，其特征在于所述生物活性物质包括肝素、硫酸肝素、水蛭素、细胞黏附因子、细胞生长因子或细胞分化因子，如成纤维细胞生长因子(FGF)、表皮细胞生长因子、血管内皮细胞生长因子(VGF)、骨形态发生蛋白(BMP)、转化生长因子(TGF)、各种抗生素(如ciprofloxacin、托普霉素和利福平等)，优选肝素。
8.根据权利要求1所述的共价交联凝胶改性人工植入体的方法，其特征在于所述多元胺是小分子多元胺和聚多胺，小分子多元胺包括乙二胺、丙二胺、丁二胺、戊二铵、己二胺、二正辛胺、二正壬胺、二正癸胺的一种或其混合物，聚多胺包括聚乙烯基亚胺、聚烯丙基胺中的一种或其混合物，优选乙二胺。
9.根据权利要求1所述的共价交联凝胶改性人工植入体的方法，其特征在于所述的其它无机盐可以是氯化钠、氯化铵、硫酸铵、氯化钾、磷酸钠、磷酸钾等，优选氯化钠。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种用共价交联凝胶对人工植入体进行表面修饰和改性使其具有良好血液相容性和组织相容性的方法。本发明是这样实现的a.将聚阴离子和聚阳离子通过静电吸引作用交替沉积到人工植入体的表面上；b.配制含羧酸基团聚合物溶液或者是其与生物活性物质的混合溶液，并将其涂布到人工植入体的表面上，加入适量的多元胺和[1－ethyl－3－(3－dimethylamino－propyl)]－carbodiimide (EDC)交联；c.用CaCl
文档编号A61L27/00GK1883721SQ20061001019
公开日2006年12月27日 申请日期2006年6月21日 优先权日2006年6月21日
发明者戴志飞, 刘萌, 彭涛, 马艳 申请人:哈尔滨工业大学