中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2021

专注于为医疗器械研发与生产服务

2022年8月31-9月2日 | 上海世博展览馆1&2号馆

肝素水凝胶涂层提高血管支架血液相容性

2021-11-10

生物材料的血液相容性需满足最小的血栓和炎症反应。金属基生物材料已广泛应用于骨科、牙科种植体及血管支架等领域。尽管近年来已取得了一定的进展,但仍需要改善所使用材料的生物相容性。特别是对于心血管设备,如避免设备的早期和迟发性血栓形成、术后再狭窄和迟发性内皮化等问题。水凝胶涂层可显著提高医疗器械的生物相容性。然而,水凝胶涂层的表面结合稳定性和均匀性往往是一个挑战。

近期,来自德国德累斯顿莱布尼茨高分子研究所的Manfred F.Maitz和Carsten Werner 研究团队合作,利用交联四臂聚乙二醇和肝素生物杂化水凝胶提高钴铬(CoCr)血管支架的血液相容性。相关研究论文:“Bioresponsive starPEG-heparin hydrogel coatings on vascular stents for enhanced hemocompatibility”发表于Materials Science & Engineering C上。


图1 水凝胶锚定于钴铬血管支架表面的示意图

凝胶材料:
端氨基化星形聚乙二醇(starPEG)+肝素

1. 钴铬血管支架表面修饰肝素化星形聚乙二醇水凝胶的制备方法
首先,研究者对抛光清洗后的CoCr金属基材就行两步硅烷化反应(1,2-双(三乙氧基硅烷基)乙烷(BTSE)及3-氨基丙基三甲氧基硅烷(γAPS)),然后浸入0.3wt%的聚(乙烯-马来酸酐)(PEMA)四氢呋喃溶液中,得到高亲水性的反应键合层。PEMA薄膜中的马来酸酐基介导氨基硅烷与非聚合水凝胶的游离胺基团的键合。最后,用两种不同类型的水凝胶包覆磁盘,一种是EDC-NHS偶联方法制备得到的肝素化starPEG水凝胶(PHG),另一种是凝血酶可裂解的starPEG肝素水凝胶(tcPHG)。样品分组为空白处理组(CoCr-B),双硅烷化处理组(CoCr-S), PEMA处理组(CoCr-SP),水凝胶处理组(CoCr-SPH)。

2. 钴铬表面水凝胶处理后的X射线电子能谱(XPS)、AFM及接触角表征
研究者采用XPS表征预期多层体系 (金属-氨基硅烷化-PEMA-PHG水凝胶)的成功制备,选取特征元素C1S、O1S、N1S、Si2P和Cr2S。如图2所示,Cr信号消失,N信号的出现表明氨基硅烷层的形成,沉积PEMA层后,特征C1S波谱中出现了O-C=O结构的特征峰。进一步的,水凝胶的修饰出现了PEG主链上的特则波谱(C-O)(图2A)。AFM表征显示,水凝胶的进一步处理增加了CoCr表面粗糙度(41.5nm到128.6nm)。接触角试验表明,随着多层处理的进一步修饰,接触角逐渐减小,极大增加了CoCr表面的表面润湿性(图2B)。


图2 钴铬表面凝胶处理后的表征

3. 支架上水凝胶涂层的表征
SEM表明水凝胶沉积层表面光滑,且无任何孔隙和空洞。以荧光标记的肝素探究水凝胶涂层溶胀前后的降解性能,AFM显示水凝胶荧光强度没有降低。水凝胶导管溶胀前支架上的水凝胶涂层经风干后,出现裂缝。然而乙醇脱水的涂层在溶胀后仍保持完好(图3)。


图3 水凝胶涂层的形态表征

4. 水凝胶处理样的血液相容性
为了探究水凝胶涂层对CoCr的血液相容性,研究者对玻璃和CoCr样品表面分别制备凝胶涂层,全血孵育2小时后,对血液样本进行表凝血和炎症的生物标志物检测。试验表明,经PHG和tcPHG包被的CoCr样品显示凝血级联活化水平降低(凝血酶原片段F1 + 2释放)。炎症补体系统的激活通过C5a补体片段来确定,试验表明,PHG和tcPHG包覆的CoCr基底的C5a浓度较裸CoCr补充玻璃包覆PHG和tcPHG水凝胶的C5a浓度降低。相比于各自的水凝胶涂层,裸玻璃和CoCr样品显示C5a负染活化增加了3倍(图4)。


图4 水凝胶处理CoCr样品的血液相容性

5. 水凝胶处理样的细胞粘附性
为了定量分析水凝胶涂层的炎症反应,研究者探究了白细胞的粘附特性。使用荧光显微镜计算每平方毫米DAPI荧光染色的细胞数量。试验表明,低活化处理表面的特氟隆比裸玻璃显示出更少的白细胞粘附,未处理的CoCr表面显示白细胞的较高粘附。然而,tcPHG和PHG涂层的CoCr的白细胞粘附数量最少(图5)。


图5 水凝胶包被试样的细胞粘附性表征

6. 血管支架的动态血流培养
研究者通过动态血流培养探究水凝胶处理前后血管支架的血液相容性,分别对止血和炎症标志物进行监测。无涂层裸支架具有高凝血激活标记物,其中PHG涂层对血小板的活化作用最小。粒细胞活化标志物CD11b的评估结果显示,与PHG涂层和未涂层支架相比,tcPHG涂层支架的粒细胞激活水平降低了23%(图6)。


图6 血管支架在动态血流培养下的血液相容性

总之,研究者制备了抗凝血肝素化星形聚乙二醇水凝胶涂层的功能化血管支架,该涂层具有良好的结合稳定性。且体内外试验表明,该种具有良好血液相容性的水凝胶涂层为解决血管支架作为血管壁炎症反应的再狭窄和腔内凝血问题提供了新的思路。

光固化肝素水凝胶(EFL-HepMA系列)

甲基丙烯酰化肝素(HepMA)是通过在肝素分子链上引入甲基丙烯基团进而赋予其光固化能力。由于便携的交联成型方式和良好的生物相容性,基于HepMA的材料体系已被广泛应用于许多生物医药研究领域,包括:生长因子控释、骨软骨组织工程、神经修复等。Hep分子上富含易于修饰改性的羧基和羟基,其可用于构建多种功能性生物材料,如应用于肿瘤治疗的纳米药物载体及层层自组装等研究。

EFL团队推出的HepMA产品(EFL-HepMA系列)通过严格的原料筛选及品质检测,具有稳定的理化性质,其在可见光照射下10秒内固化成胶,生物相容性良好,材料可扩展性强,能够提供多种黏弹特性以适应不同应用领域。HepMA可用来搭配EFL的GelMA、HAMA等水凝胶,更好的模拟细胞外基质微环境,获得更优的生长因子负载与控释、细胞3D培养及生物墨水配方。

来源:EngineeringForLife