聚氨酯抗凝血材料的研究進(jìn)展

聚氨酯抗凝血材料的研究進(jìn)展摘要：聚氨酯由于其優(yōu)良的抗凝血性能和良好的物理機(jī)械性能而成為目前研究和應(yīng)用最廣的一種生物醫(yī)用高分子材料。本文就經(jīng)典聚氨酯材料、接枝型聚氨酯、離子型聚氨酯及其它具有良好發(fā)展前景的聚氨酯抗凝血材料的研究進(jìn)展作扼要綜述[6]。關(guān)鍵詞：抗凝血材料、聚氨酯、聚醚分子量1引言人類使用天然高分子化合物，如絲、棉、麻、毛、膠、漆……等已有幾千年的歷史。古代雖然沒有現(xiàn)在化學(xué)知識(shí)，但許多天然高分子利用過程中都涉及到了化學(xué)過程，如大漆、桐油、骨膠、發(fā)酵等等[3]。上百年前，人們已開始利用硫磺與天然橡膠形成彈性體，到了近代，人們開始利用化學(xué)知識(shí)進(jìn)行高分子反應(yīng)，比如，纖維素改性是典型的高分子化學(xué)反應(yīng)，通過它獲得了賽璐璐制作的乒乓球、炸藥，以其他改性纖維素制作的織物和膠黏劑等，在特殊條件下的選擇性高分子化學(xué)降解反應(yīng)使人類得到甲醇、乙醇……在化學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域中，高分子科學(xué)是相對(duì)年輕的學(xué)科。它的發(fā)展，使人類通過合成化學(xué)，獲得了社會(huì)發(fā)展必需的且不可替代的高分子，不僅豐富了化學(xué)科學(xué)，而且為材料科學(xué)、生命科學(xué)、凝聚態(tài)物理和信息科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。高分子合成化學(xué)近年的一些重要進(jìn)展包括:可控自由基聚合、樹枝狀高分子、活性配位聚合、某些芳香化合物可控偶聯(lián)或縮聚反應(yīng)、易位(開環(huán))聚合、二氧化碳與環(huán)氧烷類的交替聚合、點(diǎn)擊聚合、動(dòng)態(tài)聚合物等。我國(guó)學(xué)者在這些領(lǐng)域都取得重要進(jìn)展。生物醫(yī)用高分子領(lǐng)域是與人類健康與生活質(zhì)量密切相關(guān)的分支學(xué)科。利用合成高分子的特殊性能，研究醫(yī)用高分子材料的工作已廣泛受到重視。牙科材料是最早研究并獲得應(yīng)用的醫(yī)用高分子，其難點(diǎn)依然很多，生物相容性與力學(xué)性能仍是主要問題，快速光固化高分子單體或預(yù)聚物的研究還要求最好能消除聚合收縮，以避免形成縫隙。從眼科材料來說，用于白內(nèi)障患者的人工晶體是一種光學(xué)性能、生物相容性都很好的高分子材料，最好的是具有形狀記憶功能的，只需幾毫米的創(chuàng)口;隱形眼鏡也是特殊的合成高分子，至于廣泛替換玻璃的樹脂鏡片，更是視力矯正的首選。各種醫(yī)用高分子植入體的研究與應(yīng)用對(duì)醫(yī)用高分子研究提出了許多挑戰(zhàn)。同時(shí)，醫(yī)療過程中的用于體外的高分子材料還有許多重要研究需求，如用于血液透析治療腎病的選擇性吸附高分子、血液儲(chǔ)存塑料袋、塑料注射器和靜脈點(diǎn)滴塑料瓶與管等。在生物工程中所用的高分子材料一般統(tǒng)稱為高分子生物材料[11、12]。下面本文將重點(diǎn)介紹高分子生物材料的研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)。2血液相容性材料和血液在材料表面的凝血機(jī)理血液相容性材料的研究已持續(xù)了幾十年。由于很多體內(nèi)植入材料和半體內(nèi)應(yīng)用的材料均和血液相接觸,這方面研究一直受到廣泛的重視。大量研究表明,血液與外界材料相互作用的機(jī)理十分復(fù)雜,當(dāng)普通的生物醫(yī)用材料與血液接觸時(shí)，在1到2分鐘內(nèi)就會(huì)在材料表面產(chǎn)生凝血現(xiàn)象。一般認(rèn)為：血液的凝血分為兩個(gè)過程。首先，血漿在幾秒鐘內(nèi)蛋白吸附在材料表面，形成厚度大約20nm的蛋白質(zhì)吸附層。這一過程對(duì)血栓的形成起重要作用,而且與材料的表面性質(zhì)密切相關(guān)。其次，吸附在材料表面的蛋白質(zhì)變性,在Ca2+存在的條件下,將引起血小板的粘附、聚集、釋放反應(yīng)，結(jié)果導(dǎo)致血小板血栓的形成[1]。與此同時(shí)，血液中的凝血酶原通過級(jí)聯(lián)反應(yīng)的方式被快速激活，生成凝血酶。凝血酶催化可溶性的纖維蛋白原轉(zhuǎn)化為不溶的纖維蛋白。纖維蛋白自發(fā)地聚合形成纖維網(wǎng)，加上被吸附積淀下來的血小板，使血液的流動(dòng)性下降，最后凝結(jié)成塊狀物即形成血栓。如圖1、2[3]。在形成血栓的整個(gè)過程中，蛋白質(zhì)的吸附和血小板的粘附、聚集及釋放反應(yīng)還有促凝酶的產(chǎn)生，協(xié)同作用，相互促進(jìn)，不斷加速血栓的形成。因此其中最核心的過程是蛋白質(zhì)吸附層的存在導(dǎo)致血小板粘附而出現(xiàn)的凝血。圖1材料表面與血液的初始相互作用圖2可能的凝血機(jī)制根據(jù)這一假說,以各種方式降低材料表面吸附性能,減少材料與血液中蛋白質(zhì)細(xì)胞相互作用成為重要的研究方向之一。3經(jīng)典聚氨酯材料聚氨酯材料是指在分子主鏈上含有較多氨基甲酸酯基團(tuán)的一類聚合物。自從1937年德國(guó)Farben公司Bayer等合成聚氨醋以來,已形成了包括聚氨酯軟、硬泡沫、聚氨酯彈性體、聚氨酯塑料等一系列強(qiáng)度和剛性不同的產(chǎn)品。1967年,Boretor和Pietrce等首次將嵌段聚醚聚氨酯(SegmentedPolyether一Urethane,簡(jiǎn)稱SPEU)彈性體植人狗體內(nèi),四周后未發(fā)現(xiàn)凝血現(xiàn)象。并且在血液環(huán)境下,SPEU的機(jī)械強(qiáng)度也凌有明顯變化。這表明SPEU兼具生物穩(wěn)定性和抗凝血性能,是一種較為理想的生物醫(yī)用高分子材料。此后,人們研究開發(fā)了大量的聚醚聚氨酯生物醫(yī)用材料,并形成了一系列具有實(shí)用價(jià)值的商品化聚醚聚氨酯生物醫(yī)用材料(見表l)。用這些材料制成的人工心臟、人工心臟瓣膜、人造血管、助搏器血囊等均顯示出較好的抗凝血性能。例如，用聚氨酯材料作為心房、心室的Javik一7型人工心臟,于1982年植人美國(guó)猶他州61歲的Clerk醫(yī)生體內(nèi),使他多活了112天。此后其它幾例Javik一7型人工心臟的臨床應(yīng)用也有較好的結(jié)果。表1具有實(shí)用價(jià)值的商品化聚醚聚氨醋生物醫(yī)用材料從結(jié)構(gòu)上看,這類嵌段聚氨醋是由軟、硬段交替組成的多嵌段共聚物。硬段包括脲基和氨基甲酸酯,含量一般小于40%；軟段通常為聚醚二元醇、聚丁二烯、聚硅氧烷等。一般硬段通過氫鍵作用相互聚集形成微區(qū)而分散在構(gòu)成連續(xù)相的軟段微區(qū)的基體中,形成微相分離結(jié)構(gòu)。大量的研究顯示經(jīng)典的聚氨酯抗凝血材料的抗凝血性能與材料表面的這種非均相結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。1972年,Lyman等人用4,4一二苯基甲撐二異氰酸酯(MDI)，聚環(huán)氧丙烷(PPG)通過乙二胺擴(kuò)鏈合成了嵌段聚醚聚氨酯。研究表明,PPG的分子量對(duì)血液相容性和血漿蛋白質(zhì)的吸附都有較大影響,當(dāng)PPG的分子量為1025時(shí)觀察到最佳值。由此,他們認(rèn)為嵌段聚氨酯的血液相容性與微區(qū)尺寸的大小密切相關(guān)。Takahara進(jìn)一步研究了軟段分子量的影響,發(fā)現(xiàn)隨聚醚分子量的降低,軟段與硬段微區(qū)間相混合程度增加與材料血液相容性的下降存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因而,進(jìn)一步證實(shí)了嵌段聚氨酯的血液相容性與材料的微相分離結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。Takahara等還用含有不同亞甲基數(shù)的脂肪族二胺作擴(kuò)鏈劑合成了一系列嵌段聚醚聚氨酯(SPEU),發(fā)現(xiàn)SPEU表面的血小板粘附量與二胺中的亞甲基數(shù)存在鋸齒形的關(guān)系:即二胺中亞甲基為偶數(shù)的SPEU比亞甲基為奇數(shù)的SPEU具有較好的血液相容性。紅外分析結(jié)果顯示:與亞甲基為偶數(shù)的二胺相對(duì)應(yīng)的SPEU中,氫鍵濃度高,即硬段間結(jié)合較強(qiáng),微相分離明顯。DSC分析也顯示與奇數(shù)亞甲基二胺對(duì)應(yīng)的SPEU有較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,轉(zhuǎn)變區(qū)也較寬,微相分離較不明顯,即軟段和硬段微區(qū)間的相混合程度較大。因此,血液相容性與擴(kuò)鏈劑中亞甲基數(shù)的鋸齒形關(guān)系本質(zhì)上還是和軟、硬鏈段間的微相分離程度有關(guān)。關(guān)于微相分離結(jié)構(gòu)材料對(duì)抗凝血性的貢獻(xiàn),Nakajilna提出了覆蓋控制模型(cappingcontrol)理論(圖3)。當(dāng)微相分離材料和血液接觸時(shí),立即就會(huì)吸附血漿蛋白質(zhì)。而這種血漿蛋白質(zhì)的吸附是為材料表面微相結(jié)構(gòu)所控制的,親疏水性不同的蛋白質(zhì)被選擇性地吸附在不同微區(qū)。這種特定的蛋白質(zhì)吸附層結(jié)構(gòu)不會(huì)激活血小板表面的糖蛋白,血小板的異體識(shí)別能力就體現(xiàn)不出來,從而阻礙凝血的發(fā)生(圖3(b))。圖3覆蓋控制模型(cappingcontrol)此外,在研究由司司軟段合成的嵌段聚氮醋的抗凝血性能時(shí),Takahara發(fā)現(xiàn)對(duì)不同的聚醚軟段,聚氨酯表現(xiàn)最佳抗凝血性的聚醚分子量是各不相同的。在PEG一PEU(聚二亞甲基醚聚氨酯)，PPG一PEU,PTMG一PEU(聚四亞甲基醚聚氨酯)材料表面,聚醚分子量分別為600,1000和1900時(shí)變形的血小板數(shù)目出現(xiàn)最低值。同時(shí),吸水量的測(cè)定表明:聚醚材料表面親水性的遞增次序?yàn)镻TMG<PPG<PEG。也就是說隨聚醚表面親水性的增加,聚氨酯呈現(xiàn)最佳抗凝血性的聚醚分子量降低,這表明除了嵌段的微相分離程度和微區(qū)尺寸對(duì)材料的抗凝血性有影響外,嵌段聚氨酯的表面親水一疏水平衡對(duì)材料的抗凝血性也有影響。4接枝型聚氨酯抗凝血材料由于生物醫(yī)用材料本身特點(diǎn)的局限性,對(duì)材料的表面進(jìn)行接枝改性,也就成為提高其抗凝血性的一種重要手段。鑒于聚氨酯材料的抗凝血性能本質(zhì)上取決于材料的表面性質(zhì),那么就可以通過表面接枝反應(yīng),在聚氨酯表面接枝各種功能性側(cè)鏈,以對(duì)經(jīng)典的聚氨酯抗凝血材料進(jìn)行改性。這樣可在保留聚氨酯基材本體優(yōu)越性能的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提高聚氨酯材料表面的抗凝血性能。提高材料表面的親水性，可以降低表面自由能。表面的親水性及自由能與血液成分的吸附、變性等有密切聯(lián)系。提高材料表面親水性，使表面自由能降低到接近血管內(nèi)膜的表面自由能值，可取得抗血栓性能。聚氧乙烯(PEO)由于其獨(dú)特的高親水性和高流動(dòng)性，呈現(xiàn)出良好的生物惰性，可阻抗多種蛋白質(zhì)和血細(xì)胞的黏附，是一種改善高分子材料血液相容性的理想材料。乙二醇聚合物(PEG、OEG)因具有高親水性、柔韌性、無毒性及無免疫原性等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于表面改性。PEG因?yàn)樵谌芤褐芯哂泻芨叩逆湻€(wěn)定性以及很大的排斥體積，能阻抗其他分子的影響。分子模擬能在分子水平上研究表面的蛋白質(zhì)吸附，模擬結(jié)果是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的補(bǔ)充。Ikaka在研究材料一血液相互作用的表面物理化學(xué)行為基礎(chǔ)上,指出極端親水性的表面和極端疏水性的表面都具有良好的血液相容性。極端親水性表面由于與界面的親合性較大,從而使界面自由能大大降低,減少了材料表面對(duì)血液中多種組份的作用,因而呈現(xiàn)優(yōu)良抗凝血性能。而具有極端疏水性表面的材料,由于其表面自由能低,與血液各組份的作用小同樣可能呈現(xiàn)優(yōu)良抗凝血性能。此后人們通過鈰鹽引發(fā)、過氧化物引、輻射接枝聚合、光引發(fā)接枝聚合等各種表面接枝方法將丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺及其它一些親水性單體接枝聚合到聚氨酯及其它一些生物醫(yī)用材料表面(表2),形成了一系列親水性聚氨酯表面。血液相容性評(píng)價(jià)表明,這類表面確實(shí)具有優(yōu)良抗凝血性能。而Han等采用表面化學(xué)接枝反應(yīng)在SPU表面接枝上全氟代烷基后,發(fā)現(xiàn)這種極端疏水性的聚氨酯表面也具有和極端親水性的PEG鏈接枝聚氨酯相當(dāng)?shù)目鼓阅?。在接枝型聚氨酯的一系列研究?具有長(zhǎng)PEG接枝鏈表面的抗凝血性能尤其引人注目。事實(shí)上,不僅在SPU表面,而且在硅橡膠、聚氯乙烯、聚乙烯表面,接枝PEG鏈均不同程度地提高了材料的抗凝血性能,因此具有長(zhǎng)PEG接枝鏈的表面被普遍認(rèn)為是一種改善材料抗凝血性能的理想表面。Nagaoka等通過研究,對(duì)PEG接枝鏈的抗凝血機(jī)理提出了以下假設(shè):由于PEG是一種高度親水性和柔順性的分子鏈,因而PEG一方面可與水結(jié)合形成水合PEG鏈,以通過位阻排斥作用阻礙血液組份的吸附。這種阻礙作用隨PEG鏈的增長(zhǎng)而增大(圖4(a))。另一方面,水合PEG鏈的快速運(yùn)動(dòng)可影響血液一材料界面的微區(qū)流體力學(xué)性質(zhì),即與柔性PEG鏈段結(jié)合的水微流阻止了蛋白質(zhì)在材料表面的停滯、粘附與變性(圖4(b))?；谶@種假設(shè),單端接枝的PEG鏈由于具有長(zhǎng)的、自由運(yùn)動(dòng)的親水鏈,應(yīng)是一種理想的抗凝血表面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與此假設(shè)基本相符,如Kim等人在Biomer:上接枝PEG后,確實(shí)發(fā)現(xiàn)這種單端接枝的模型化合物大大降低了血小板在材料表面的粘附。當(dāng)接枝PEG分子量為1000時(shí),在Biomer一PEG表面的血小板粘附量?jī)H為Biomer基材的l/2。其它一些接枝PEG鏈的SPEU也同樣顯示出較好的抗凝血性能(見表3)。表3表3Jiang及其同事通過分子模擬研究發(fā)現(xiàn)，PEG的長(zhǎng)鏈通過構(gòu)象的彈性變化阻礙蛋白質(zhì)吸附到材料表面。高表面密度和長(zhǎng)鏈的PEG表現(xiàn)出較好的阻抗蛋白質(zhì)吸附性能。OEG鏈短，堆積密度厚，不易通過構(gòu)象變化來阻抗蛋白質(zhì)吸附。但是OEG通過氫鍵作用，其表面極易形成一層牢固結(jié)合的水屏障，并且當(dāng)OEG表面密度適中時(shí)，水分子與OEG鏈之間的氫鍵越多，OEG鏈的彈性越大，阻抗蛋白質(zhì)吸附的能力越強(qiáng)。因此，很多研究者都用PEG作間隔臂連接其他具有抗凝血性能的生物活性大分子對(duì)材料表面改性。Salchert等將苯甲酰胺衍生物以羧基-PEG鏈為間隔臂共價(jià)接枝在馬來酸酐共聚物表面，研究表明膜的厚度以及羧基的含量與共聚物的親/疏水性及PEG的性質(zhì)有關(guān)。苯甲酰胺對(duì)凝血酶的抑制作用與PEG的高親水性、柔韌性和空間位阻效應(yīng)相互協(xié)助，使得改性后的表面膜能高度結(jié)合凝血酶，使凝血酶失活，顯示出極好的抗凝血效果。5離子型聚氨酯抗凝血材料[7、9]大量的研究表明,血液中的多種組份(如血紅蛋白、血小板、部分血漿蛋白質(zhì)等)在血液環(huán)境中呈負(fù)電性,血管內(nèi)壁也是呈負(fù)電性的。人們由此認(rèn)為負(fù)電性的血管內(nèi)壁與負(fù)電性的血液組份的靜電排斥作用是有利于抗凝血的。因此,用陰離子修飾聚氨酯作為提高材料抗凝血性能的又一手段而被廣泛研究。Ito等合成了帶羧酸根基團(tuán)的SPEU,發(fā)現(xiàn)由于陰離子的靜電排斥作用,在材料界面的纖維蛋白原和血小板吸附量及變形程度均減小了。進(jìn)一步的研究表明用羧酸基、磺酸基和磺胺基團(tuán)修飾的聚氨酯材料表面均顯示出較好的抗凝血性能。而這類基團(tuán)正是天然抗凝血物質(zhì)——肝素的重要成分。在血液環(huán)境中,這些用陰離子修飾的表面可以顯示出和肝素化表面類似的抗凝血作用(如直接絡(luò)合凝血因子、干擾不溶性纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)的形成、促進(jìn)凝血因子和抗凝血因子的結(jié)合等),具有較好的抗凝血性.因而這類用磺酸基、磺胺基、羧酸基修飾的材料也常被稱為“類肝素(Heparin一like)”抗凝血材料。Han等在單端PEG接枝聚氨酯的模型基礎(chǔ)上,在PEG末端接上一個(gè)具有類肝素活性的陰離子磺酸基團(tuán),制備了分子結(jié)構(gòu)為PEU-g一PEO一的聚氨酯材料(如圖5)。血液相容性評(píng)價(jià)表明,這種材料與PEU-g一PEO相比有較小的血小板粘附與活化能力,抗凝血時(shí)間較長(zhǎng)。顯然,這種模型化合物將聚氨酯基體的優(yōu)良物理機(jī)械性能和抗凝血性能、PEG鏈的高親水性和柔順性、磺酸根的負(fù)電性和類肝素活性等多種有利因素集于同一材料表面,使其抗凝血性能較PEU-g一PEO又有進(jìn)一步提高。林思聰?shù)确謩e在不同的生物材料表面構(gòu)建了含磷銨、磺銨、羧銨結(jié)構(gòu)的聚合物，研究這些聚合物表面抗血小板的黏附性能，他們認(rèn)為優(yōu)異的抗凝血性是聚兩性離子材料的共性。材料表面10ng·cm－2的纖維蛋白原吸附就可以引發(fā)所有血小板的黏附，形成血栓。Zhang等在玻璃表面接枝了pSBMA和pCBMA，通過酶聯(lián)免疫吸附實(shí)驗(yàn)測(cè)定表面的纖維蛋白原吸附量，約為玻璃表面的3%和4%。不同材料、不同接枝密度也會(huì)對(duì)纖維蛋白原的吸附產(chǎn)生影響，F(xiàn)eng等在硅表面制備了2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰膽堿(MPC)的聚合物刷，發(fā)現(xiàn)接枝表面的纖維蛋白原吸附量隨MPC接枝鏈密度和鏈長(zhǎng)度的增加而明顯減少，當(dāng)接枝鏈密度為0.29個(gè)·nm－2、鏈長(zhǎng)度為100單位時(shí)，纖維蛋白原吸附量小于10ng·cm－2。吳楠等將MPC共價(jià)結(jié)合到Fe3O4納米粒子表面，大大減少了蛋白質(zhì)的非特異性吸附，延長(zhǎng)了復(fù)鈣化凝血時(shí)間，并具有優(yōu)良的生物相容性。6其它抗凝血生物活性物質(zhì)除肝素[5]外,其它抗凝血生物活性物質(zhì),如前列腺素、尿激酶、白蛋白等也被用來修飾聚氨酯生物材料,以改善材料的抗凝血性能。此外,由于凝血過程中血小板粘附、凝血因子的激活及不溶性纖維蛋白網(wǎng)絡(luò)的形成是三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的過程,因而人們將兩種或兩種以上生物活性物質(zhì)的復(fù)合物,如:白蛋白(阻抗血小板粘附)和肝素(阻抗凝血因子激活)的復(fù)合物、尿激酶(促進(jìn)纖維蛋白溶解)和肝素的復(fù)合物、前列腺素(阻抗血小板粘附)和肝素的復(fù)合物負(fù)載于聚氨酯材料表面,制成復(fù)合型抗凝血高分子材料,多方位地阻礙凝血過程的發(fā)生,顯示出良好的發(fā)展前景。7抗凝血功能高分子材料的發(fā)展與展望近幾十年來,盡管血液相容性高分子材料的研究開發(fā)己經(jīng)取得了很多進(jìn)展,但是由于血漿蛋白、血細(xì)胞與異物表面間的相互作用機(jī)制十分復(fù)雜,在機(jī)理研究（如材料表面模型的確立、材料與機(jī)體生化反應(yīng)的機(jī)理等）方面仍有許多不足之處。迄今為止還沒有找到一種高分子材料,其表面具有天然血管壁內(nèi)皮細(xì)胞所特有的抗凝血和止血功能,可以直接應(yīng)用到臨床醫(yī)學(xué)方面,來治療心血管病、腦血管病等。但隨著生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科的