Advances in the antithrombogenicity of intravascular polyurethane catheters

Ji Yan, Chang Jin, Chen Yirui, Fang Dongpu
(School of Materials Tianjin University, Tianjin 300072)

Abstract This article briefly reviewed the blood coagulation procedure of intravascular polyurethane catheters, factors influencing this procedure, traditional and recent efforts to improve the antithrombogenicity of polyurethane，and general characterizations of the antithrombogenicity PU catheters.
Key Words Polyurethane(PU), Antithrombogenicity, Catheters, Intravascular therapy
摘要 扼要概述了介入诊疗聚氨酯(PU)导管的凝血过程、影响因素、改善PU导管材料抗凝血性的途径以及导管用材料抗凝血性能的表征。
关键词 聚氨酯(PU) 抗凝血 导管 介入诊疗

介入诊疗聚氨酯(PU)导管的抗凝血研究进展

吉岩 常津 陈贻瑞 方洞浦
(天津大学材料学院 天津 300072)

    近年来,介入诊疗导管的应用日益广泛,导管制造技术已相对成熟, 其性能逐步提高,临床效果也较为理想。然而,同许多其它介入体内的医用装置一样, 由于它与血液接触，不可避免地会产生不同程度的凝血。凝血易使导管表面生成血栓。血栓的形成可能阻塞导管内腔,妨碍管内液体流通;而当血栓从导管表面脱落时,又可能损伤体内组织或引起其它相关的血栓并发症,严重时甚至会有致死的危险^[1]。 因此,研究介入导管的抗凝血性具有十分重要的意义。
    制造导管的材料可为多种, 虽然近年来研究发现聚氨酯PU在体内会缓慢降解，但目前来讲PU的应用仍然较为广泛。这是因为聚氨酯具有良好的力学性能和较高的生物相容性。它耐磨、耐挠曲, 表面光滑，拉伸强度大,延展性好; 它能耐体内大多数水解酶, 在合成过程中可避免使用易于渗入体内的助剂及催化剂,从而减少了静脉炎的发病率;另外,聚氨酯嵌段结构及一些功能性基团的存在，为其改性提供了诸多途径^[2] 。然而，聚氨酯的抗凝血性仍不能尽如人意。为提高聚氨酯抗凝血能力，人们对其进行着各种改性和修饰。
    本文围绕如何提高PU导管的抗凝血能力, 简要介绍了目前关于此问题的一些概况,内容涉及凝血机理、影响因素、表征以及改善PU导管抗凝血性的途径。
1 介入PU导管的凝血过程
    导管与血液接触, 将引发一系列反应。首先，血浆中的蛋白质会迅速吸附在导管表面，几秒钟内便可形成一蛋白质吸附层^[3]。蛋白质吸附层是血液-材料进一步反应的主要场所，它所吸附的蛋白质的类型和构型,决定着紧随其后的血小板粘附和其它所有与血栓形成有关的其它反应。由于蛋白质吸附是一个竞争性的过程，材料表面最初吸附的蛋白质可被血浆中体积较大的和不易溶解的疏水性蛋白质所取代。导管长时间与血液接触后,蛋白质的吸附才趋于平衡。
    目前对生物材料表面蛋白质吸附的研究主要集中与白蛋白和纤维蛋白原。纤维蛋白原一方面促进血小板反应,另一方面可被一种参与内源途径凝血的高分子量蛋白质所替代。二者均与凝血有关。一般而言，材料表面最初吸附的纤维蛋白原越多,产生的血栓也越多。与之相反, 白蛋白可减少血小板和白血球的吸附,并抑制血栓形成,所以材料表面吸附的白蛋白越多,血栓的形成量越少。
    紧随蛋白质吸附，血液中的其它物质,例如血小板等也参与进来。血小板粘附是蛋白质吸附后最早观察到的现象之一。在很大程度上，它受到导管表面最初吸附的蛋白质的控制。血小板粘附加上蛋白质粘附又导致血小板不同成份从材料表面释放，释放的促凝血酶以及被血小板释放激活的凝血因子XⅡ将分别从外源性途径和内源性途径引起血栓的形成^[4]。血栓的形成又促进血小板进一步粘附和聚集。各种因素相互影响，共同作用，最终导致凝血，即血液由流动状态转变为胶动状态。
2 影响PU导管凝血的因素
    影响PU导管凝血、导致血栓形成的因素错综复杂。如表1^[1]所示，导管本身和血液流动情况都与血栓形成密切相关。除此之外，导管在体内的停留时间、医护人员的操作等也影响着血栓量的多少。从改善PU导管本身抗凝血而言,下列因素是值得着重考虑的。

2.1 导管硬度(或刚性)
    适当的硬度可保证导管顺利插入体内,并保持畅通而不扭曲,这对于诊断和生理检测用的导管尤为重要。但导管过硬势必导致血管壁的机械损伤和破坏,从而促进血栓的形成并诱发相关的并发症^[3]。 倘若硬度不合格,则为改善PU材料抗凝血性能而作出的种种努力都只能付之东流。因此,硬度甚至比导管表面的化学组成还重要。
2.2 表面电荷
    血液中的多种组分(如血小板、部分血浆蛋白质等)在血液环境中呈负电性,血管内壁也是带负电荷的。人们由此认为负电性的血管内壁和负电性的血液组分的静电排斥作用是有利于抗凝血的，任何模拟血管壁特性的导管自然较少引起凝血。因此,当材料在血液中呈电负性时,血小板的粘附和集聚急剧减少,从而表现出良好的抗凝血效果。进一步的研究表明,材料表面的电荷分布和电荷密度尤为重要,只有在某一适当的电荷密度下,材料的抗凝血效果才会最好^[5]。
2.3 导管表面粗糙程度(光滑度)
    导管是通过向外开的小孔进入体内的,如果在导管的插入或取出过程中,导管和生物体粘膜间的摩擦太大,就会损伤粘膜。粗糙的表面是PU导管上血栓形成的滋生地。粗糙表面产生更多的血栓的原因在于,这样的表面可引发血小板集聚,而相对光滑的表面可阻止纤维蛋白和血小板聚集的粘附, 从而只能形成微栓；相反,粗糙表面会促进粘附,因而形成血栓^[6]。
2.4 聚氨酯的微观相分离结构
    医用PU多为聚醚型聚氨酯，它由脂肪族聚醚软段同氨基甲酸酯与脲基键合的硬段构成。如果软段和硬段的溶解度参数相差甚多,硬段会通过氢键相互集聚形成微区，硬段微区分散在连续相的软段微区中,形成微相分离结构。对于聚氨酯材料的抗凝血研究来说,这种结构比前面所讨论的因素似乎更让人关注。无论改变硬段含量或软段比例及类型，大量实验均证明：相分离程度大的聚氨酯性能较佳^[7]。生物体组织和细胞表面所具有的微区结构相当于不均一表面，聚氨酯微区相分离结构与此类似，故而不易激活血小板粘附、集聚，聚氨酯材料从而表现出比其它高分子材料更好的抗凝血性。然而，关于软硬段合适比例、相分离程度大小与抗凝血性优劣的具体关系却有不同的实验结果。
2.5 材料表面亲疏水性
    材料表面适当的亲-疏水平衡有利于提高PU的抗凝血能力^[8]。决定材料血液相容性好坏的一个重要参数是界面自由能。超疏水性的表面，其本身界面自由能低，与血液中各成分相互作用较小、从而显示出较好的抗凝血性。亲水表面，其本身界面自由能较高，但材料与血液间的亲和力使得界面自由能大大降低，从而减少了材料表面与血液中各组分的吸附及其它相互作用。聚氨酯微相分离结构的抗凝血性也可以归结于其表面的亲-疏水平衡。聚氨酯硬段区域疏水性较强, 而软段多为亲水性组分。当聚氨酯材料与血液接触时, 亲水性软段在材料表面有较大的富集, 材料表面与血液相互作用减少, 抗凝血性提高。
3 改善导管用聚氨酯材料抗凝血性的途径
    提高聚氨酯材料血液相容性的途径很多。改变聚氨酯原料类型、分子量大小、软硬段比例、扩链剂类型及含量等, 均可得到新型抗凝血聚氨酯材料。然而受原料、合成方法及力学性能等要求的限制, 新型聚氨酯的开发比较有限，研究注意力多集中于对现有具有良好力学性能的聚氨酯进行表面改性。通过表面改性, 不仅提高了材料的抗凝血能力, 还可保持聚氨酯固有的良好的物理力学性能。表面改性的方式多为涂层涂敷和表面接枝。涂层法多用于短期导管。 表面接枝的长期效果较佳, 接枝可采用通常的接枝手段,如化学试剂法、等离子体技术、紫外照射、高能辐射、臭氧化接枝等。接枝可接枝聚合物链, 也可接枝聚合单体。根据起抗凝血作用的物质或基团分类,主要有以下几种改善导管用聚氨酯材料抗凝血性的途径。
3.1 肝素修饰
    采用肝素修饰PU导管由来已久，其有效性已为众多实验及临床效果所证实。Randolph等^[9]近来不仅肯定了肝素化对提高材料抗凝血性所起到的积极作用, 而且还发现肝素化亦可能减少导管介入所引起的细菌感染。
    肝素可以物理的或化学的方式与材料结合。物理结合简单有效, 适用于短期导管。主要通过共混(包括表面共混和均相共混)和物理吸附(即涂层法)来实现。化学结合长期效果稍好。它有离子键合和共价键合两种方式。离子键合肝素多通过在PU主链或侧链上引入带正电荷的季铵盐基团来实现。季铵化离子键合肝素需要较长时间, 且肝素在血液中易耗尽。为解决这一问题, 许多人将PU用聚酰胺基胺(PAA)进行接枝改性。共价键合肝素比离子键合在长期性方面更为有效。共价键合肝素时, 首先应使材料表面通过化学试剂或等离子体等技术^[10] 引入功能基团。这些年来, 人们多通过在PU氨基甲酸酯基上引入二元胺或二异氰酸酯等桥接链(spacer arm)来提高肝素化PU的抗凝血性。
3.2 亲水性修饰
    亲水性的提高有利于减少材料与血液组分间的相互作用。对于PU,为提高其表面的亲水性,可用亲水性物质如聚氧化二烯等做软段,也可在材料表面接枝亲水性基团,还可采用涂层涂敷以形成互穿网络^[6]等。水凝胶是提高PU抗凝血性的主要物质。它吸水后形成表面水层, 从而使材料表面极为光滑;还可模拟血管壁,使导管在血液中呈负电性。水凝胶中又以亲水性强、柔顺性、与水接触时界面张力低的聚氧化乙烯(PEO)应用最广。PEO修饰PU也有物理和化学结合两种不同的方式。除单独修饰PU外, PEO还可与肝素结合在一起共同改善PU的抗凝血性。除PEO外, 聚乙二醇、聚丙烯酰胺以及聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等也是常用的亲水性物质。本实验室曾将线性聚氨酯预聚体和线性高分子PVP在氯仿中混溶，随后加入交联剂蓖麻油，使预聚体交联，形成半互穿网络结构的涂层。体外抗凝血实验表明, 用此涂层修饰后的PU样片抗凝血性能显著提高。
3.3 白蛋白修饰
    白蛋白不含有引起细胞粘附的缩氨基酸序列, 不参与血液凝结及血小板粘附等过程。如能在材料表面形成白蛋白层, 则可有效地减少血栓形成。体外预先吸附白蛋白是对PU导管进行抗凝血修饰的一种方法。但现在更多的是通过表面改性增强材料表面对白蛋白的吸附能力, 改性后的表面与体内血液接触,吸附血液内的白蛋白形成对血液成惰性的白蛋白吸附层。烷基化是应用最广的提高材料表面亲白蛋白能力的方法^[11]。白蛋白中含有与循环系统脂肪酸中烷基链结合的活性点, C16-C18的烷基链正因模拟了脂肪酸的特性而被研究者采用。
3.4 类肝素化修饰
    肝素的抗凝血作用来源于肝素中磺酸基、羧酸基等功能基团。这些基团可使PU表面在血液中呈负电性, 并表现出与肝素类似的抗凝血效果。为克服肝素在体内最终被消耗殆尽的缺点, 研究者们近年来试图用这些基团修饰材料, 以提高其长期抗凝血效果。类肝素化采用较多的功能基团是磺酸基。磺酸化的程度和分子量的大小会影响PU抗凝血性的提高。汤顺清等^[12]指出, 为保持材料原有的物理机械性能, 磺化度必须适当。磺化也可与表面接枝PEO结合共同提高PU的抗凝血性。
3.5 其它修饰方法
    以上4种是较为成熟的修饰手段,已经应用于导管。近年来,新的方法不断涌现。
3.5.1 磷酸盐修饰 血红细胞和血小板的外膜可看作是具有血液相容性的表面, 它主要是有含磷酰氯基端基的物质组成。鉴于此,Chapman等^[13]认为,含磷酰氯端基的表面也应具有抗凝血性。Baumgartner等^[14]也将磷酰氯端基直接引入PU骨架, 此措施显著减少了血小板和蛋白质的吸附。
3.5.2 两亲性高分子修饰 某些同时带有亲水性和疏水性基团的两亲性(amphiphilic)高分子也可用来对PU改性以提高其抗凝血能力。Bengt等^[15]将两亲性高分子作为添加剂混入PU；而Lim等^[16]则在PU上悬挂了不同长度的亲水、疏水基团。
3.5.3 改性蛋白质分子障碍层修饰 利用聚乙二醇对材料表面所吸附的蛋白质改性,形成阻止血栓形成的分子障碍层, Deible等^[17]认为此法适用于制造导管的多种材料。
3.5.4 内皮细胞修饰 由于血液不与正常动静脉的内层反应,许多研究者致力于用内皮细胞覆盖异体材料以提高材料的血液相容性。为此,可将与内皮细胞具有强亲合力的物质如纤连蛋白、胶原蛋白和低聚肽共价键合在材料表面, 以增加内皮细胞在材料表面的吸附。另外,将材料表面织化后吸附内层细胞形成假内膜也是可取之策^[18]。
4 PU导管材料抗凝血性能的表征
    用于表征导管材料抗凝血能力的参数很多。材料与血液接触后，材料表面所粘附的血小板的量以及所吸附的血浆中蛋白质的量是衡量材料抗凝血性能的常规指标。二者的测定多借助同位素标记。⁵¹Cr和¹²⁵I是标记血小板的常用元素。近年来，¹¹¹In在血小板测定中的应用日益广泛。表征材料的抗凝血性不能只凭单一的标准，除测定血小板和蛋白质的数量外，血小板数的变化、被激活的程度、形态变化，蛋白质的种类、变性情况及总的变化等也是需要考虑的对象。血小板和蛋白质的测定方法很多。Bailly^[19]等采用直接ELISA(enzyme-linked immunosorbent assays)不仅测定了导管在体外与血液接触后血小板的保留量，而且对材料所吸附蛋白质中血纤维蛋白原的情况进行了测定。而Barbucci^[20]等对肝素化PU的表征则采用了ATR/FT-IR技术。表征材料抗凝血能力的参数还有血液凝血时间、凝血酶凝血时间以及血栓形成量等。
    具体到试验方法上，导管材料抗凝血性的测定主要有3种：离体法(in vitro)、半体内法(ex vivo)及体内法(in vivo)。材料抗凝血性的初步评价多采用简单易行的离体法。离体法中较多采用的有全血凝固时间法和凝血时间动态测定法。受外界的影响，离体法所得结果与真实情况出入较大。体内法是将导管或导管材料直接插入生物体动静脉内，根据血栓形成量等表征导管及导管材料的抗凝血性。此法准确度高、可靠性好，但费用较高、操作复杂。半体内法则将离体法和体内法特点结合在一起，从体内引出一体外血液回路，将材料置于此回路中进行凝血测定。目前研究的一个重点是如何使离体法和半体内法更直接有效的反映材料的抗凝血性。
5 结束语
    改善导管的抗凝血性是研制导管的一个重要环节。在解决此问题的同时,必须兼顾导管的力学性能及无毒抗菌的要求。本文所涉及的仅是这一问题的部分内容。新的措施层出不穷, 并有日渐向天然物质及模拟生物特性方面靠拢的趋势。值得注意的是，为提高PU导管的抗凝血性,尤其是其长期有效性, 必须考虑PU在体内的降解。
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吉岩 女，23岁，硕士研究生，从事生物医学材料的研究，尤其是介入诊疗导管的表面修饰。
天津市科委科技攻关项目(973113310)。 2000-03-30收稿，2000-08-24修回。