抗凝血高分子生物材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及生物医学工程领域，具体涉及一种抗凝血高分子复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

高分子材料以其优良的机械性能和力学耐久性在临床上被广泛地应用于与人类血液和组织相接触的医疗器械上，如血液透析系统、体外循环系统、人工心脏瓣膜、心脏起搏器、人工血管、血管支架、外科手术线和导管及其组件等。但在病人体内使用时，血液和这些医疗器械表面接触时，血液中的蛋白质首先吸附在器械表面，然后是血小板，最后导致血栓的形成。而在器械表面形成的血栓，即使是尺寸非常小的血栓，一旦被血液传送到血管中，可以阻塞动脉或静脉血流，将会对人体循环系统造成很大的伤害。血栓形成是全球前三位的致死性心血管病-心脏病、脑卒中和静脉血栓栓塞症(VTE)的共同发病机制。通过对高分子生物材料进行表面改性抗凝血功能分子，可有效改善材料的血液相容性，从而满足广泛的临床应用要求。

就目前而言，抗凝血高分子生物材料的设计从技术方法领域可分为：传统的材料表面形态改性方法(比如对表面粗糙度的控制)、物理化学表面改性方法(改变材料表面的物理与化学性质)以及生物化学表面改性方法(比如材料表面的接枝改性、引入生物活性物质、微相分离、内皮细胞化等)。而其中，最有效的是生物化学表面改性方法，其主要是采用肝素作为抗凝血因子，将肝素通过物理吸附或者化学结合的方法固定在材料表面。但是，采用肝素物理吸附法的不足在于：肝素容易流失、抗凝血效果不长；而采用肝素羧基与活化材料氨基化学反应或者通过粘连剂或间隔剂的共价偶联，通过共价键结合肝素的不足在于：肝素构象受到限制，抗凝血活性显著降低；同样采用氨解法和对材料表面进行聚多巴胺涂层后接枝肝素后都有相类似的缺点。现有方法中对固定抗凝血剂的材料也受到限制，比如很多惰性材料如硅胶等通过现有的方法难以固定抗凝血剂材料。

因此，目前国内尚无有效的抗凝血涂层医疗器械出现在市场上。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题之一在于，提供一种抗凝血高分子生物材料，其材料表面取向结合抗凝血剂，能够很好的保留抗凝血剂的活性，促进内皮细胞生长，并减少抗凝剂的用量，使抗凝血效果更持久高效。

本发明所要解决的技术问题之二在于，提供一种抗凝血高分子生物材料的制备方法。

本发明所要解决的技术问题之三在于，提供一种抗凝血高分子生物材料的应用。

为解决上述技术问题支一，本发明的抗凝血高分子生物材料包括以下三层结构：基底层、抗凝血涂层、以及位于基底层与抗凝血涂层之间的等离子体聚合层；

所述基底层采用生物医学材料，所述生物医学材料为合成高分子材料和天然高分子材料。

所述等离子体聚合层是沉积于基底层上的一层丙烯胺等离子体聚合膜；

所述抗凝血涂层是固定于等离子体聚合层上的一层抗凝血剂，所述抗凝血剂为本领域常见的抗凝血剂，包括水蛭素、肝素等。

具体的，基底层的物理形态，可以是通过静电纺丝方法、熔融挤出方法、浇铸等方法制备的各种形态的医疗器械，比如管状、片状及其他各种形态等。

具体的，所述合成高分子材料包括聚氨酯、硅胶及其他有机硅聚合物、有机玻璃、尼龙、聚酯、聚四氟乙烯、硅橡胶、聚酯纤维、聚乙烯基吡咯烷酮、聚醚醚酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙烯等；天然高分子材料包括壳聚糖、胶原、丝素蛋白、纤维素等。

具体的，所述等离子体聚合层，是将基底层利用丙烯酰胺蒸汽进行等离子气体表面溅射处理获得，得到等离子体聚合层沉积于基底层的高分子材料，其中丙烯酰胺蒸汽处理时间为0.1-1h。

具体的，在获得等离子体聚合层之前，还需要进行等离子气体表面溅射对基底层的材料表面进行表面清洁处理，处理时间为0.01-1h，所用等离子气体采用氧气、氢气、水蒸气、氨气或氩气。

具体的，所述等离子气体表面溅射是在0.01-100帕气体压强，射频发生器功率10-1000W，频率10-100兆赫兹条件下。

具体的，所述抗凝血涂层，是将得到的等离子体聚合层沉积于基底层的高分子材料置于含抗凝血剂的氰基硼氢化钠缓冲液中反应获得。

具体的，所述缓冲液中抗凝血剂的浓度为1-100毫克/毫升，所述反应是于室温下放置在摇床2-72h，然后PBS洗涤。

为解决上述技术问题之二，本发明的一种抗凝血高分子生物材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)提供一基底层，基底层的材料采用生物医学高分子材料，所述生物医学材料为合成高分子材料和天然高分子材料，所述合成高分子材料包括聚氨酯、硅胶及其他有机硅聚合物、有机玻璃、尼龙、聚酯、聚四氟乙烯、硅橡胶、聚酯纤维、聚乙烯基吡咯烷酮、聚醚醚酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙烯；所述天然高分子材料包括壳聚糖、胶原、丝素蛋白、纤维素等；

步骤2)将基底层采用等离子气体表面溅射处理，处理时间为0.01-1h，所用等离子气体采用氧气、氢气、水蒸气、氨气或氩气，优选采用氧气。使基底层的材料的表面产生活性基团(如氨基、羧基等)；

步骤3)将步骤2)处理得到的材料采用等离子气体表面溅射处理，利用丙烯酰胺蒸汽处理0.1-1h，在基底层上沉积一层丙烯胺等离子体聚合膜；

步骤4)将步骤3)处理得到的材料置于含抗凝血剂的氰基硼氢化钠缓冲液中进行反应。抗凝血剂的浓度为1-100毫克/毫升。反应是于室温下放置在摇床2-72h，然后PBS洗涤后，得到本发明的抗凝血高分子生物材料。抗凝血剂为水蛭素或肝素。将抗凝血剂分子在氰基硼氢化钠等还原剂处理下，转变为还原性末端半缩醛化肝素，然后将步骤3)处理得到的材料浸泡在活性肝素分子溶液中，实现材料表面定向修饰肝素分子和抗凝活性。

具体的，步骤2)和步骤3)中采用等离子气体表面溅射是在0.01-100帕气体压强，射频发生器功率10-1000W，频率10-100兆赫兹条件下进行。

具体的，步骤4)中抗凝血剂的浓度为30毫克/毫升，氰基硼氢化钠缓冲液配比为0.02M磷酸钠+0.2M氯化钠+3毫克/毫升氰基硼氢化钠，pH值为5.5。

本发明还提供一种抗凝血高分子生物材料的应用，可以用于血液透析系统、体外循环系统、人工心脏瓣膜、心脏起搏器、人工血管、血管支架、外科手术线和导管等与血液或组织接触的医疗器械。

本发明的抗凝血高分子生物材料包括基底层、抗凝血涂层、以及位于基底层与抗凝血涂层之间的等离子体聚合层，本发明利用脉冲等离子技术和表面肝素接枝的方法，使抗凝血剂分子接枝固定在材料表面，可以在各种生物医用材料上有效的覆盖(表面固定)上长效的抗凝血涂层，而这种固定在表面的抗凝血剂分子保留了分子的有效取向，因而其抗凝血性能接近溶液内抗凝血剂分子的性能。本发明的抗凝血高分子生物材料所采用的抗凝血剂为本领域常见的各种抗凝血剂，包括肝素，水蛭素等。同时抗凝血剂分子由于是通过共价键结合在材料表面，不容易被血液冲刷掉，保证了抗凝血效果的持久性和稳定性，其使用寿命长。本发明适合于对通过静电纺丝方法、熔融挤出方法、浇铸等方法制备的各种形态的医疗器械进行抗凝血剂涂布，涂布效果好，不受基底层形状限制。本发明能满足国内外临床对于与人类血液和组织相接触的医用材料的最佳效果的需求。

和其他已有抗凝血高分子生物材料相比，本发明方法有几个优点：1)适用材料广，即使是以前技术无法适用的惰性硅胶医用材料上，我们也可以覆盖上抗凝血涂层；2)该方法可以保证所覆盖的抗凝血涂层中凝血分子的取向达到最佳抗凝血效果；3)由于是表面化学接枝，抗凝血涂层使用寿命长；4)抗凝血涂层制作工艺简单，环境友好，并具有最佳的抗凝血性。

附图说明

图1为本发明抗凝血高分子生物材料的三层结构示意图。

图2为本发明抗凝血高分子生物材料中的抗凝血剂分子与基底材料结合示意图。

图3A为本发明抗凝血高分子生物材料制成的人工血管植入大鼠体内后，内皮细胞长如人工血管基底材料的免疫学荧光染色图，显示2周时材料表面细胞增殖状况。

图3B为为本发明抗凝血高分子生物材料制成的人工血管植入大鼠体内后，内皮细胞长如人工血管基底材料的免疫学荧光染色图，显示4周时材料表面细胞增殖状况。

图4A为本发明抗凝血高分子生物材料与现有技术中常用抗凝血剂涂层方法肝素接枝密度定量分析图。

图4B为本发明抗凝血高分子生物材料与现有技术中常用抗凝血剂涂层方法肝素接枝活性定量分析图。

附图中符号标记说明：

101为抗凝血涂层；102为等离子体聚合层；103为基底层。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1和图2所示，为本发明的抗凝血高分子生物材料，包括以下三层结构：基底层、抗凝血涂层、以及位于基底层与抗凝血涂层之间的等离子体聚合层；其中，

基底层是采用生物医学材料，该生物医学材料包括合成高分子材料和天然高分子材料，其中，合成高分子材料包括聚氨酯、硅胶及其他有机硅聚合物、有机玻璃、尼龙、聚酯、聚四氟乙烯、硅橡胶、聚酯纤维、聚乙烯基吡咯烷酮、聚醚醚酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚乳酸、聚乙烯等；天然高分子材料包括壳聚糖、胶原、丝素蛋白、纤维素等。

等离子体聚合层是沉积于基底层上的一层丙烯胺等离子体聚合膜；

抗凝血涂层是固定于等离子体聚合层上的一层抗凝血剂，该抗凝血剂为肝素或水蛭素或其它常见抗凝血剂。

本发明的抗凝血高分子生物材料，采用了等离子体表面处理，可以使抗凝血剂特异性与基底层材料表面取向性结合，结合后的抗凝血剂分子在材料表面不会因为血液冲刷损失，保证了抗凝血效果的持久性和稳定性；此外，本发明的抗凝剂涂层与基底材料取向性结合的特异型结构有利于内皮细胞的粘附增殖，对于小口径的人工血管支架的内皮化起到促进作用，对于开发适合替代中小动静脉血管的小口经人工血管，具有非常重要的临床价值。

本发明的抗凝血高分子生物材料，是先将基底层进行等离子气体表面溅射预处理，处理时间为0.01-1h，所用等离子气体采用氧气、氢气、水蒸气、氨气或氩气，优选为氧气。采用氧气处理可使基底层材料的表面氧化产生活性基团(如氨基、羧基等)。然后再利用丙烯酰胺蒸汽进行等离子气体表面溅射处理获得，使其产生胺化(伯氨与仲氨)，得到等离子体聚合层沉积于基底层的高分子材料，其中丙烯酰胺蒸汽处理时间为0.1-1h。等离子气体表面溅射是在0.01-100帕气体压强，射频发生器功率10-1000W，频率10-100兆赫兹条件下。最后，再将得到的等离子体聚合层沉积于基底层的高分子材料置于含1-100毫克/毫升抗凝血剂的氰基硼氢化钠缓冲液中反应，于室温下放置在摇床2-72h，然后PBS洗涤。

实施例二

制备基于实施例一的聚碳酸酯表面抗凝剂高分子生物材料

将基底材料(聚碳酸酯)放入抽真空的等离子体气体发生器中，气压为0.05帕，调整射频发生器功率500W，频率10兆赫兹条件下，预处理基底材料表面，进行表面清洁氧化，处理时间为0.01h；然后在相同条件下，利用丙烯酰胺蒸汽处理0.1h，在基底材料上沉积一层丙烯胺等离子体聚合膜；最后，将等离子处理过的基底材料置于10毫克/毫升肝素制备的氰基硼氢化钠缓冲液中，室温下放置在摇床12h，然后PBS洗涤，干燥，即得到抗凝血剂高分子生物材料。抗凝血剂分子在基底材料表面结构形态如图1所示。

实施例三

制备基于实施例一的硅胶表面抗凝血剂高分子生物材料

将基底材料(硅胶)放入抽真空的等离子体气体发生器中，气压为0.01帕，调整射频发生器功率1000W，频率180兆赫兹条件下，预处理基底材料表面，进行表面清洁氧化，处理时间为0.02h；然后在相同条件下，利用丙烯酰胺蒸汽处理0.15h，在基底材料上沉积一层丙烯胺等离子体聚合膜；最后，将等离子处理过的基底材料置于20毫克/毫升肝素制备的氰基硼氢化钠缓冲液中，室温下放置在摇床24h，然后PBS洗涤，干燥，即得到抗凝血剂高分子生物材料。

将涂层后的抗凝血剂高分子生物材料，灭菌，植入小鼠体内，在培养2周和4周的时间段将植入部位取出，进行细胞免疫学染色，观察细胞增殖状况。如图3A和图3B所示，图3A为2周时材料表面细胞增殖状况，图3B为4周时材料表面细胞增殖状况。从图中我们可以看出，等离子体气体表面处理接枝抗凝剂的有利于内皮细胞的增殖。

实施例四

制备基于实施例一的丝素蛋白膜表面抗凝血剂高分子生物材料

将基底材料(丝素蛋白膜)放入抽真空的等离子体气体发生器中，气压为0.03帕，调整射频发生器功率200W，频率13兆赫兹条件下，预处理基底材料表面，进行表面清洁氧化，处理时间为0.01h；然后在相同条件下，利用丙烯酰胺蒸汽处理0.22h，在基底材料上沉积一层丙烯胺等离子体聚合膜；最后，将等离子处理过的基底材料置于30毫克/毫升肝素制备的氰基硼氢化钠缓冲液中，室温下放置在摇床18h，然后PBS洗涤，干燥，即得到抗凝血剂高分子生物材料。

实施例五

制备基于实施例一的胶原表面抗凝血剂高分子生物材料

将基底材料(胶原)放入抽真空的等离子体气体发生器中，气压为0.02帕，调整射频发生器功率500W，频率160兆赫兹条件下，预处理基底材料表面，进行表面清洁氧化，处理时间为0.01h；然后在相同条件下，利用丙烯酰胺蒸汽处理0.05h，在基底材料上沉积一层丙烯胺等离子体聚合膜；最后，将等离子处理过的基底材料置于10毫克/毫升肝素制备的氰基硼氢化钠缓冲液中，室温下放置在摇床20h，然后PBS洗涤，干燥，即得到抗凝血剂高分子生物材料。

实施例六

为了更进一步体现此方法制备的抗凝血涂层材料抗凝血的有异性，我们做了如下对比试验。

A.本发明的实施例二(硅胶-等离子体-肝素)、实施例三(硅胶-等离子体-肝素)、实施例四(纤维蛋白-等离子体-肝素)、实施例五(胶原-等离子体-肝素)的的抗凝血剂高分子生物材料。

B.采用肝素物理吸附法的抗凝血高分子材料。

按现有技术中的常规方法，将高分子材料溶于四氢呋喃溶液中，将于材料质量比为5％的肝素用适量的水溶解，加入到烧杯中，得出肝素与高分子材料共溶体系溶液(肝素浓度为30mg/ml)，充分混合后，将溶液放在直径为6cm的玻璃板上铺展，放在通风厨内，挥发，然后放到烘箱内60℃下保持12h，除去残余水份，得到混合肝素的物理吸附抗凝血高分子材料。

C.采用肝素羧基直接与活化材料氨基化学反应，或者通过粘连剂或间隔剂的共价偶联，通过共价键直接结合肝素的抗凝血高分子材料。

按现有技术中的常规方法，选择二异氰酸酯(TDI)作为表面活性剂，高分子材料与质量分数10％的2,4-二甲苯而氰酸酯的苯溶液反应，质量分数0.5％的二椰子油酸二丁基锡为催化剂，室温下搅拌24h，进行材料表面活化处理，得到表面活化的高分子材料。然后将2.0g肝素溶于100ml甲酰胺中，加适量无水硫酸调其PH值为1左右，加入活性位点放大剂(聚乙烯亚胺)、扩链剂(聚乙二醇)，50℃下搅拌反应1h处理表面活化的高分子材料，再移去加热器，室温下继续搅拌反应24h，大量去离子水冲洗，室温下真空干燥，得到通过共价键表面肝素化的抗凝血材料。

D.制备通过氨解方法在聚碳酸酯支架材料表面引入氨基基团与肝素接枝的抗凝血材料。

将聚碳酸酯浸泡在含50mg/ml四臂聚乙二醇的无水乙醇中，60℃加热4小时。将氨解后的支架用70％的酒精和蒸馏水冲洗。通过1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐作为和N-羟基硫代琥珀酰亚胺在的酰胺合成活化促进作用下，将30mg/ml肝素钠共价接枝与支架表面自由氨基共价结合。

E.制备含有聚多巴胺涂层的聚碳酸酯支架涂覆肝素抗凝血材料。

聚碳酸酯支架材料浸泡在无水乙醇中10min，用pH8.3的磷酸盐缓冲液冲洗。将聚碳酸酯支架材料浸泡在含有2.0mg/ml盐酸多巴胺的磷酸盐缓冲液(pH8.3)中，放入室温下的摇床中反应24h；取出支架材料用磷酸盐缓冲液冲洗，并在氮气保护状态下干燥，制备出含有聚多巴胺涂层的聚碳酸酯支架材料。将含有聚多巴胺涂层的支架浸泡在0.1N NaOH溶液中5min，pH9的磷酸盐缓冲液冲洗；支架材料放入含30mg/ml的肝素钠磷酸盐缓冲溶液中，室温下震荡24h，磷酸盐缓冲液冲洗、干燥，得到含有聚多巴胺涂层的聚碳酸酯支架涂覆肝素抗凝血材料。

将试验项A中本发明制备的抗凝血高分子材料(实施例二的聚碳酸酯-等离子体-肝素、实施例三的硅胶-等离子体-肝素、实施例四的纤维蛋白-等离子体-肝素、实施例五的胶原-等离子体-肝素)以及对比项B(物理吸附法)、C(共价结合)、D(氨解-肝素)、E(PD-肝素)中制备的材料室温下浸泡在PBS溶液中，放置于摇床中。定量分析0天(当天)、7天时材料表面肝素密度和肝素活性。

实验结果如如图4A、4B所示，由图4A可见对比项B、C、D、E中制备的材料的肝素密度均明显低于本发明的抗凝血高分子材料，而且经过7天之后，对比项B、C、D、E中制备的材料的肝素密度均有明显下降，而本发明的抗凝血高分子材料的肝素密度基本保持不变；由图4B可见对比项B、C、D中制备的材料的肝素活性均明显低于本发明的抗凝血高分子材料，对比项E中制备的材料的肝素活性与本发明的抗凝血高分子材料相当，但是经过7天之后，对比项B、C、D、E中制备的材料的肝素活性均有明显下降，而本发明的抗凝血高分子材料的肝素活性基本保持不变。因此，我们认为本发明的抗凝血高分子材料相比现有的其他常见接枝肝素的方法制得的抗凝血材料具有明显的优势。

综上所述，上述各实施例及附图仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，皆应包含在本发明的保护范围内。