聚氨酯/(羧甲基殼聚糖/殼聚糖)n復合涂層血液相容性

趙 紅, 鄒 迪 婧, 李 穎, 齊 民, 楊 大 智

(大連理工大學材料科學與工程學院,遼寧大連 116024)

0 引 言

介入治療心血管支架植入術作為治療冠心病的一種有效方法,已在世界范圍內廣泛開展,但其植入后再狹窄的發生率達到10%～30%.血管平滑肌細胞的增生與遷移是引起再狹窄的主要原因.近兩年來藥物涂層支架的應用為緩解再狹窄提供了一線生機.然而,目前正在應用的抗增生藥物涂層支架,在抑制平滑肌細胞生長的同時也阻礙了內皮化,內皮愈合時間延長,會引起晚期再狹窄[1～4].通過促進支架損傷后的組織愈合,加速支架內皮化,利用內皮對抑制血栓和組織增生的天然作用來治療再狹窄是最有效、最安全和最自然的治療方式,因此在支架表面構建快速內皮化涂層,制備生物工程支架,是新一代冠脈支架的發展趨勢[5、6].

在生物工程支架中支架涂層起到細胞外基質作用,在支架表面制備仿細胞外基質涂層是提高涂層的生物相容性、抑制血小板黏附的有效途徑.細胞外基質為生物大分子組成的網絡狀結構,在支架表面制備含有促進細胞生長的分子成分并形成網狀拓撲結構的仿生細胞外基質涂層無疑將有利于內皮細胞粘附、生長[7～10].

醫用聚氨酯具有良好的生物相容性,其力學適應性接近天然血管,目前已被用于制備人工血管、人工心臟等.天然高分子殼聚糖及其衍生物具有良好的生物相容性,并具有控制藥物釋放的能力,目前已廣泛用做促進皮膚愈合的敷料[11～14].

本文首先通過靜電噴涂方法在不銹鋼基底上制備網狀結構的生物相容性聚氨酯(PU)涂層,然后通過靜電自組裝方法在其上制備具有促進細胞生長的天然高分子羧甲基殼聚糖(CMCH)和殼聚糖(CH)超分子多層膜,獲得網狀聚氨酯、羧甲基殼聚糖、殼聚糖復合涂層PU/(CMCH/CH)n,并對其血小板黏附行為進行考察.

1 實驗方法

1.1 靜電紡絲PU網狀涂層的制備

采用本研究室已探索出的工藝方法制備靜電紡絲PU網狀涂層[15].PU(型號為T80A,德國拜耳公司生產)平均相對分子質量Mr=138841;靜電噴涂設備是自行設計的氣-電紡絲機,通過調節靜電紡絲電壓參數,在直徑為10 mm的不銹鋼圓形基底上獲得不同形貌的纖維涂層.

1.2 網狀PU/(CMCH/CH)n復合涂層的制備

PU涂層的預處理[16]:將靜電紡絲的PU網狀涂層試樣放入濃度為0.06 mg/mL的1,6-己二胺溶液中,使涂層表面引入-NH2基團,然后浸入到1 mol/L的HCl中使-NH2基團轉變成為-NH+3,作為后續靜電自組裝的底層.

靜電自組裝復合涂層的制備:將上述預處理后的帶陽離子的PU網狀涂層試樣放入質量分數為0.4%、pH=8的 CMCH水溶液中保持 10 min,使表面吸附一層帶陰離子的CMCH分子,用去離子水沖洗,再放入質量分數為0.2%、pH=4的 CH醋酸溶液中保持10 min,用去離子水沖洗,使表面吸附一層帶陽離子的CH分子,即完成了一個雙分子層CMCH/CH的靜電自組裝過程.重復以上步驟,獲得網狀PU/(CMCH/CH)n多層復合膜.通過接觸角測量儀(型號為DSA100,德國Kruss公司)測定各層的接觸角(每個試樣的接觸角為試樣上3個檢測點的平均值),表征自組裝過程并考察涂層的親疏水性變化規律.

1.3 涂層的血液相容性實驗

通過體外血小板黏附實驗考察涂層的血液相容性:將新鮮抗凝人血離心15 min,轉速為1500 r/min,取上部富血小板血漿,將試樣浸入37℃的富血小板血漿中1 h后取出,經生理鹽水液漂洗,2.5%戊二醛固定液固定30 min,再由酒精脫水,乙酸異戊酯脫醇,經臨界點干燥后噴銀,用掃描電鏡觀察血小板形態.

2 實驗結果及分析

2.1 網狀PU涂層的血小板黏附行為

圖1 不同纖維直徑PU涂層的血小板黏附SEM照片Fig.1 SEM images of platelets adhesion on PU fibers with different diameters

圖1 為不同纖維直徑的PU網狀涂層上的血小板黏附形貌.在直徑小于1 μ m的纖維上,黏附有數量較多的血小板,在直徑大于2 μ m的纖維上幾乎沒有血小板黏附.在纖維交疊的夾角處也有較多黏附.圖2為細纖維分布密度不同的PU網狀涂層上的血小板黏附形貌,纖維分布密度越大,血小板黏附數量越多.血小板黏附性與材料化學成分、表面拓撲結構等諸多物理及化學因素有關.光滑的PU表面具有良好的血液相容性,常被用于制備人工血管,圖3為在316L不銹鋼表面通過澆鑄法制備的光滑PU膜上的血小板黏附形貌,可見表面幾乎沒有血小板黏附.血小板尺寸為2～ 3 μ m,因此直徑大于 2～ 3 μ m 的纖維表面,對于血小板的黏附行為與光滑平面的作用相似,直徑大于2 μ m的PU纖維具有與光滑PU表面相似的血液相容性,抑制血小板黏附.

圖2 不同纖維密度的PU涂層的血小板黏附SEM照片Fig.2 SEM images of platelets adhesion on PU fibers with different densities

圖3 光滑PU膜表面的血小板黏附SEM照片Fig.3 SEM images of platelets adhesion on smooth PU coating

2.2 網狀PU/(CMC H/CH)n復合涂層的親疏水性

表1為復合涂層不同靜電自組裝層對接觸角的影響,按照CMCH/CH 循環組裝次序,1、3、5層為CMCH 層,2、4、6層為CH 層.可見網狀PU涂層經預處理后呈現出較弱的親水性,而吸附第1層CMCH 后接觸角明顯減小,親水性增強;在其上吸附一層CH后,接觸角又明顯變大,呈現出疏水性.這是CMCH和CH分子親水性強弱的影響.在不銹鋼基底上對制備出的光滑均勻的CMCH、CH涂層的接觸角檢測結果顯示,光滑CMCH涂層的接觸角約為30°,呈現出較強的親水性,而光滑CH涂層的接觸角約為89°,呈現出弱的親水性,因此在組裝的CMCH和CH涂層上,顯示出親水性強弱的變化.然而隨著組裝層數n的增加,CMCH吸附層接觸角呈現增大趨勢,而CH吸附層接觸角呈現減小趨勢,即兩相鄰吸附層的接觸角差值減小,親水性差別減弱.這是由于靜電自組裝過程中,吸附的兩相鄰層高分子發生了相互穿插的空間分布結構,由此各層上都不同程度地含有CH和CMCH分子,涂層的親水性是兩類不同分子共同影響所致.

表1 復合涂層的接觸角Tab.1 Contact angle of composite coatings

2.3 網狀PU/(CMCH/CH)n復合涂層的血液相容性

本文考察了復合涂層的血小板黏附行為,圖4為自組裝不同分子層對應的血小板黏附形貌.結果表明:網狀復合涂層血小板黏附數量比組裝前的網狀PU涂層明顯減少,且隨著靜電自組裝層數的增大,血小板黏附數量趨于降低,組裝層數達到第7層后,即使在直徑小于1 μ m的細纖維上也只有極少量的血小板黏附.且由圖4可以看到CMCH作為最外層的第7層與CH作為最外層的第8層,血小板黏附數量差別不大,分析認為這與靜電自組裝相鄰涂層分子之間產生的交互穿插分布有關,隨著層數的增加,相鄰CMCH和CH層的接觸角差別減小,涂層的親疏水性趨于接近,從而相鄰的CMCH和CH層具有相似的血液相容性.因此可以通過靜電自組裝過程改善涂層的血液相容性.

圖4 復合涂層不同自組裝層的血小板黏附SEM照片Fig.4 SEM images of platelets adhesion on different self-assembling composite coatings

3 結 論

(1)對于網狀PU涂層,血小板較易黏附于直徑1 μ m以下的細纖維上,細纖維數量越多,血小板黏附的數量越多.

(2)網狀PU/(CMCH/CH)n復合涂層血小板黏附數量較少,血液相容性提高.

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