抗凝血生物材料的血液相容性

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.08.028

摘要/Abstract

摘要：

背景：专家们认为改善抗凝血生物材料的血液相容性，可以明显提高抗凝血生物材料的抗凝血性能。
目的：评价聚酯类和钛类抗凝血生物材料的血液相容性。
方法：以文献检索的方法探讨聚酯类和钛类抗凝血生物材料对血液中红细胞、血小板、白蛋白、纤维蛋白以及凝血因子等的影响，并通过溶血试验、动态凝血试验、血小板黏附试验、血清蛋白吸附试验、复钙试验以及乳酸脱氢酶释放试验等分析聚酯类和钛类抗凝血生物材料的抗凝血性能，从而评估聚酯类和钛类抗凝血生物材料的血液相容性。
结果与结论：聚酯类抗凝血生物材料及钛类抗凝血生物材料的溶血率明显降低，血小板黏附较少，白蛋白的吸附量增加，纤维蛋白原的吸附明显减少，复钙时间及凝血时间明显延长，表现出较高的抗凝血性能，具有良好的血液相容性，是较为理想的抗凝血生物材料。

关键词: 生物材料, 生物材料学术探讨, 抗凝血, 血液相容性, 血小板, 纤维蛋白, 白蛋白, 聚氨酯, 纯钛, 钛氧薄膜, 溶血率, 复钙时间

Abstract:

BACKGROUND: Experts believe that the improvement of hemocompatibility of the anticoagulant biomaterials can significantly improve the anticoagulant properties of the anticoagulant biomaterials.
OBJECTIVE: To evaluate the hemocompatibility of the polyester-based and titanium-based anticoagulant biomaterials.
METHODS: The effect of polyester-based and titanium-based anticoagulant biomaterials on the level of red blood cells, platelets, albumin, fibrin and coagulation factors was explored through searching the relative literatures. The anticoagulant properties of the polyester-based and titanium-based anticoagulant biomaterials were analyzed through the hemolysis test, dynamic blood coagulation test, platelet adhesion test, serum protein adsorption experiment recalcification test and lactate dehydrogenase releasing test, thus the hemocompatibility of the polyester-based and titanium-based anticoagulant biomaterials was evaluated.
RESULTS AND CONCLUSION: The hemolysis rate of polyester-based and titanium-based anticoagulant biomaterials was significantly decreased, and the polyester-based and titanium-based anticoagulant biomaterials have less platelet adhesion and increased adsorption amount of albumin, and the fibrinogen adsorption was significantly reduced, the recalcification time and clotting time was significantly prolonged. The polyester-based and titanium-based anticoagulant biomaterials show a higher anti-clotting property, which are ideal anticoagulant biomaterials.

Key words: biomaterials, academic discussion of biomaterials, anticoagulant, hemocompatibility, platelets, fibrin, albumin, polyurethane, titanium, titanyl film, hemolysis rate, recalcification time

中图分类号:

R318

张明华，郑海燕. 抗凝血生物材料的血液相容性[J]. 中国组织工程研究, 2013, 17(8): 1505-1512.

Zhang Ming-hua, Zheng Hai-yan. Hemocompatibility of anticoagulant biomaterials[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2013, 17(8): 1505-1512.

图/表（结果） 5

2.1 抗凝血生物材料的抗凝血机制 血液凝固是血浆由流动状态变为胶冻态的过程，是由多种酶介导引起血细胞和血浆蛋白发生变化的一系列反应^[22]。凝血过程主要由凝血酶原激活物的形成即凝血因子的活化、凝血酶原转变为凝血酶和纤维蛋白原激活转变为纤维蛋白并沉积形成血栓3个步骤发挥作用^[23]，见图1。而人体内的抗凝血系统主要由肝素、抗凝血酶以及能够使纤维蛋白胶原溶解的纤溶系统组成^[24-25]。因此，抗凝血生物材料在与血液接触后，减少血小板和纤维蛋白原的吸附，从而延长凝血时间，抑制血栓的形成。

2.2 抗凝血生物材料的血液相容性

2.2.1 聚酯类抗凝血生物材料的血液相容性抗凝血生物材料分为可降解生物材料和非降解生物材料，可降解生物材料在生物环境的作用下能够发生结构和性能的变化，降解产物能够被机体完全吸收或者排除体外。非降解生物材料能够在机体环境中长期保持结构和性能的稳定，不发生降解和磨损等，具有良好的理化性能。通过人工合成的方法将可降解类生物材料和非降解类生物材料进行聚合改性处理，提高二者的理化性能以及与机体的生物相容性。聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯等属于非降解生物材料，壳聚糖、纤维素、聚乙烯醇等属于可降解生物材料。谢赞^[16]、任振俶^[12]、贺春丽^[13]、霍丹群^[20]和郑书家^[21]分别对聚酯类抗凝血生物材料的抗凝血性能进行了分析，发现聚酯类抗凝血生物材料中除了聚醚砜以外，其余大多数聚酯类抗凝血生物材料的溶血率均小于5.0%，不会发生溶血现象，并且血小板的黏附较少，动态凝血时间和复钙时间明显延长，表现出良好的血液相容性。具体分析结果见表2。

2.2.2 钛类抗凝血生物材料的血液相容性钛金属具有良好的延展性，密度小，机械强度大，可朔性强，并且具有良好的耐腐蚀性能，不易被酸性和碱性溶液腐蚀变性。此外，钛金属还具有良好的细胞相容性和组织相容性。纯钛及钛金属复合物均有良好的机械性能、理化性能以及良好的组织相容性和血液相容性，是近年来生物材料研究的热点之一。吕博^[14]、杨忠海^[15]、周红芳^[19]、宋杰等^[18]和董艳霞^[17]分别以纯钛和氧化钛为基体，通过氢离子、磷离子、铝离子等离子体注入以及碳、氮化合物、肝素等多种物质的聚合对钛金属进行改性，并对改性后的钛类抗凝血生物材料的抗凝性能进行了研究分析，发现以钛氧薄膜和纯钛为基体的钛类抗凝血生物材料同样表现出较高的抗凝血性能，纯钛的溶血率为0，而改性后的钛类抗凝血生物材料的溶血率仍小于1.0%，并且血小板的吸附量较少，纤维蛋白原的吸附也较少，动态凝血时间及复钙时间均明显延长，表现出较高的抗凝血性能，具有良好的血液相容性，具体分析结果见表3。

2.2.3 其它抗凝血生物材料的血液相容性除了聚酯类和钛类抗凝血生物材料以外，还有肝素化壳聚糖/大豆蛋白质复合材料、氧化镧掺杂非晶碳薄膜、无镍不锈钢、氧化石墨聚合物、聚对苯二甲酸乙二醇酯和有机硅类等抗凝血生物材料，举例6种不同抗凝血生物材料的血液相容性研究文献10篇见表4。

2.2.4 PubMed数据库2011至2012年收录抗凝血生物材料的血液相容性相关研究文献分析抗凝血生物材料是医学领域中应用较多的材料，无论是实验研究还是临床应用中都需要抗凝血生物材料，因此抗凝血生物材料的生物相容性尤其是血液相容性就显得更加重要，国内外学者对此研究均较多，举例PubMed数据库2011至2012年收录抗凝血生物材料的血液相容性相关研究文献10篇，见表5。

参考文献

[1] Macocinschi D, Filip D, Vlad S, et al. Segmented biopolyurethanes for medical applications. J Mater Sci Mater Med. 2009;20(8):1659-1668.

[2] Kütting M, Roggenkamp J, Urban U, et al. Polyurethane heart valves: past, present and future. Expert Rev Med Devices. 2011;8(2):227-233.

[3] Gastaldello K, Melot C, Kahn RJ, et al. Comparison of cellulose diacetate and polysulfone membranes in the outcome of acute renal failure. A prospective randomized study. Nephrol Dial Transplant. 2000;15(2):224-230.

[4] Suzuki Y, Daitoku K, Minakawa M, et al. Poly-2-methoxyethylacrylate-coated bypass circuits reduce activation of coagulation system and inflammatory response in congenital cardiac surgery. J Artif Organs. 2008;11(3): 111-116.

[5] Kwok SC, Yang P, Wang J, et al. Hemocompatibility of nitrogen-doped, hydrogen-free diamond-like carbon prepared by nitrogen plasma immersion ion implantation-deposition. J Biomed Mater Res A. 2004;70(1):107-114.

[6] Santerre JP, Woodhouse K, Laroche G, et al. Understanding the biodegradation of polyurethanes: from classical implants to tissue engineering materials. Biomaterials. 2005;26(35): 7457-7470.

[7] Losi P, Lombardi S, Briganti E, et al. Luminal surface microgeometry affects platelet adhesion in small-diameter synthetic grafts. Biomaterials. 2004;25(18):4447-4455.

[8] 沈健.生物医用高分子材料的研制及其基础研究[D].江苏:南京理工大学,2004:1-396.

[9] 马银陈,周宁琳,陈亚红,等.新型抗凝血纳米复合材料的制备及其性能研究[J].功能材料,2007,38(10):1713-1716.

[10] 程莉萍,孙树东,乐以伦,等.血液净化膜材和抗凝剂对凝血过程中接触活化的影响[J].四川大学学报:医学版,2005,36(3):411-414.

[11] 中国知网.中国学术期刊总库[DB/OL].2012-11-18. https://www.cnki.net.

[12] 任振俶.羧基化壳聚糖改性聚氨酯的制备和表征[D].辽宁:大连理工大学,2012:1-67.

[13] 贺春丽.不同类型亲水结构表面修饰聚氨酯的合成及其生物相容性研究[D].江苏:南京师范大学,2011:1-84.

[14] 吕博.抗凝血Ti-O薄膜的电化学行为研究[D].四川:西南交通大学, 2010:1-52.

[15] 杨忠海.氢等离子体改性Ti-O薄膜的血液相容性研究[D].四川:西南交通大学,2009:1-87.

[16] 谢赞.表面接枝胆甾相液晶改善PU的抗凝血性能研究[D].广东:暨南大学,2007:1-59.

[17] 董艳霞.钛表面改性及其血液相容性研究[D].陕西:陕西师范大学, 2007:1-68.

[18] 宋杰,吴熹,黄楠,等.纤维蛋白原与吸附白蛋白、肝素的新型血管支架材料氧化钛的血液相容性[J].生物医学工程学杂志,2007, 24(5):1097-1101.

[19] 周红芳.离子注入钛氧薄膜的血液相容性研究[D].四川:西南交通大学,2006:1-66.

[20] 霍丹群.肝素化高分子液晶/聚醚氨酯生物材料的研究[D].重庆:重庆大学,2004:1-157.

[21] 郑书家.抗凝血生物材料的血液相容性研究[D].重庆:重庆大学,2004:1-62.

[22] Lelah M, Pierce JA, Lambrecht LK, et al. Polyether-urethane ionomers:surface property/ex vivo blood compatibility relationships. J Colloid Interface Sci. 1985;104(2):422-439.

[23] Ito Y, Sisido M, Imanishi Y. Synthesis and antithrombogenicity of anionic polyurethanes and heparin-bound polyurethanes. J Biomed Mater Res. 1986;20(8):1157-1177.

[24] Goosen MF, Sefon MV. Properties of a heparin-poly(vinyl alcohol) hydrogelcoating. J Biomed Mater Res. 1993;17: 359-361.

[25] Bélanger MC, Marois Y, Roy R, et al. Selection of a polyurethane membrane for the manufacture of ventricles for a totally implantable artificial heart: blood compatibility and biocompatibility studies. Artif Organs. 2000;24(11):879-888.

[26] 王小梅.肝素化壳聚糖/大豆蛋白质复合材料的制备及其抗凝血功能研究[D].湖北:武汉大学,2011:1-149.

[27] 俞洪飞.医用涤纶材料表面磷酸胆碱仿生改性及其抗凝血性能研究[D].四川:西南交通大学,2011:1-63.

[28] 张麟,陈弟虎,于凤梅,等.氧化镧掺杂非晶碳薄膜的血液相容性[J].生物医学工程研究,2009,28(2):96-99.

[29] 王亮.改善有机硅（PDMS）弹性体表面血液相容性的研究[D].湖北:武汉理工大学,2008:1-60.

[30] 单婧.聚硅氧烷液晶的合成及其聚合物共混材料的结构与血液相容性研究[D].广东:暨南大学,2008:1-90.

[31] 马丹.医用无镍不锈钢的血液相容性的研究[D].辽宁:沈阳工业大学,2007:1-66.

[32] 陈亚红.聚合物/蒙脱土纳米抗凝血复合材料的研究[D].江苏:南京师范大学,2007:1-75.

[33] 陈亚红,周宁琳,孟娜,等.改性氧化石墨/聚合物的制备及其体外抗凝血性能的评价[J].功能材料,2007,38(3):438-440.

[34] 马晓星.低温等离子体表面改性PET材料及其抗凝血性能的研究[D].北京:北京化工大学,2007:1-77.

[35] 牟善松,屠美,汤顺清,等.羟基磷灰石对硅橡胶复合材料抗凝血性能的影响(英文)[J].材料科学与工程学报,2003,21(2):162-164.

[36] Zhu Q, Wang Y, Zhou M, et al. Preparation of anionic polyurethane nanoparticles and blood compatible behaviors. J Nanosci Nanotechnol. 2012;12(5):4051-4056.

[37] Nie S, Xue J, Lu Y, et al. Improved blood compatibility of polyethersulfone membrane with a hydrophilic and anionic surface. Colloids Surf B Biointerfaces. 2012;100:116-125.

[38] Joung YK, You SS, Park KM, et al. In situ forming, metal-adhesive heparin hydrogel surfaces for blood-compatible coating. Colloids Surf B Biointerfaces. 2012;99:102-107.

[39] You I, Kang SM, Byun Y, et al. Enhancement of blood compatibility of poly(urethane) substrates by mussel-inspired adhesive heparin coating. Bioconjug Chem. 2011;22(7):1264-1269.

[40] Weng Y, Tan H, Huang N, et al. Study on immobilization of heparin on surface of Ti-O films and its antithrombogenicity. Sheng Wu Yi Xue Gong Cheng Xue Za Zhi. 2011;28(1):86-89.

[41] Li G, Yang P, Qin W, et al. The effect of coimmobilizing heparin and fibronectin on titanium on hemocompatibility and endothelialization. Biomaterials. 2011;32(21):4691-4703.

[42] Chang Y, Chang WJ, Shih YJ, et al. Zwitterionic sulfobetaine-grafted poly(vinylidene fluoride) membrane with highly effective blood compatibility via atmospheric plasma-induced surface copolymerization. ACS Appl Mater Interfaces. 2011;3(4):1228-1237.

[43] Li G, Yang P, Liao Y, et al. Tailoring of the titanium surface by immobilization of heparin/fibronectin complexes for improving bloodcompatibility and endothelialization: an in vitro study. Biomacromolecules. 2011;12(4):1155-1168.

[44] Gericke M, Doliška A, Stana J, et al. Semi-synthetic polysaccharide sulfates as anticoagulant coatings for PET, 1--cellulose sulfate. Macromol Biosci. 2011;11(4):549-556.

[45] Huang XJ, Guduru D, Xu ZK, et al. Blood compatibility and permeability of heparin-modified polysulfone as potential membrane for simultaneous hemodialysis and LDL removal. Macromol Biosci. 2011;11(1):131-140.

[46] Wagner WR, Johnson PC, Thompson KA, et al. Heparin-coated cardiopulmonary bypass circuits: hemostatic alterations and postoperative blood loss. Ann Thorac Surg. 1994;58(3):734-740; discussion 741.

[47] Bozdayi M, Borowiec J, Nilsson L, et al. Effects of heparin coating of cardiopulmonary bypass circuits on in vitro oxygen free radical production during coronary bypass surgery. Artif Organs. 1996;20(9):1008-1016.

[48] Høgevold HE, Moen O, Fosse E, et al. Effects of heparin coating on the expression of CD11b, CD11c and CD62L by leucocytes in extracorporeal circulation in vitro. Perfusion. 1997;12(1):9-20.

[49] Moen O, Fosse E, Brockmeier V, et al. Disparity in blood activation by two different heparin-coated cardiopulmonary bypass systems. Ann Thorac Surg. 1995;60(5):1317-1323.

引言

生物材料是能够直接与生理系统接触并发生相互作用，能够对细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类天然或人工合成的具有特殊性能和功能的材料^[1-2]。抗凝血生物材料是生物材料的重要组成部分，作为与人体血液和组织接触的医用生物材料而被广泛应用，如人工心脏瓣膜、人工肾、心脏起搏器、人工血管、血管支架、外科缝合线和导管等^[3-7]。

生物材料的血液相容性是指生物材料表面抑制血管内血液形成血栓的能力和生物材料对血液的溶血现象、血小板功能降低、白细胞暂时性减少、功能下降以及补体激活等血液生理功能的影响。当外来物与血液接触时，会破坏红细胞，使血小板活化、聚集，进而诱发血栓的形成。因此，当抗凝血生物材料与人体组织接触时，不仅要具有组织相容性，不会对诱导人体组织发生炎症反应等，还具有血液相容性，能够抗凝血，抑制血栓的形成，使血液不会在材料的表面发生凝血现象^[8]。血液相容性是生物材料最重要的生物相容性性能指标，抗凝血性能更是决定生物材料能否被应用的决定性因素^[9]。

血液发生凝固的途径有2种，即内源性凝血和外源性凝血，生物材料植入人体内与血液接触发生的凝血以内源性凝血为主^[10]。生物材料与人体血液接触以后，首先是血浆蛋白中纤维蛋白原和白蛋白的竞争性吸附。其中γ球蛋白、纤维蛋白原的吸附容易使血小板在生物材料表面黏附、聚集，同时释放出大量凝血物质，进一步诱发血栓形成。而白蛋白的吸附则可以减少血小板在生物材料表面的黏附，抑制凝血的发生，从而延长材料的凝血时间。血浆蛋白表面还可以引起红细胞黏附，导致细胞膜破裂，发生溶血现象，并释放出红细胞素和二磷酸腺苷，会进一步引起血小板黏附、变形和聚集，诱导凝血的发生。

钛金属及钛氧薄膜、聚氨酯、聚醚砜、聚醚氨酯、聚丙烯酸等抗凝血材料因具有良好的生物相容性而被广泛应用，但是它们的抗凝血性能不够持久，为了改善抗凝血材料的血液相容性，采用多种方法对材料表面进行改性处理，如在抗凝血生物材料表面固定肝素、壳聚糖等生物活性分子，从而提高抗凝血生物材料的血液相容性。文章通过溶血试验、动态凝血试验、血小板黏附试验、血清蛋白吸附试验、复钙试验以及乳酸脱氢酶释放试验等试验方法分析聚酯类抗凝血生物材料以及钛类抗凝血生物材料的血液相容性，为抗凝血生物材料的改进以及抗凝血性能的提高提供可参考的理论信息。

材料方法

讨论

生物材料与血液接触后，表面吸附一定量的纤维蛋白原，同时结构发生变化，血小板会黏附在纤维蛋白原周围，聚集，释放大量的凝血活性因子，使凝血酶原转变为凝血酶，凝血酶会激活新的凝血因子，如此循环发生凝血反应形成血栓。因此，生物材料表面血小板黏附的数量和激活状态是血液相容性中抗凝血性能最基本的评价指标之一，血小板黏附愈少，变形愈小，则血液相容性愈好。

白蛋白、球蛋白和纤维蛋白原在生物材料表面的吸附是动态过程，吸附的蛋白可以被其它蛋白取代或者和血液中的成分发生作用，诱发血栓形成。生物材料与血液接触后吸附血浆蛋白的种类和血小板黏附的数量密切相关。如果吸附白蛋白，可以减少血小板的黏附，如果吸附球蛋白，主要是纤维蛋白原和γ球蛋白时，则增加血小板黏附的数量，使血小板大量黏附于生物材料表面^[46]。有研究表明，当血液与生物材料接触时，血浆蛋白中与生物材料表面接触最快的是白蛋白，白蛋白因在吸附过程中最先到达生物材料表面而占有优势地位，因此，生物材料表面白蛋白的吸附行为对材料的抗凝血性能发挥决定性作用^[47-49]。

当生物材料与血液接触后，其血液相容性不能够达到机体环境的要求时，血液中的红细胞就会被破坏，红细胞中的自由血红蛋白的数量就会减少，从而引起溶血现象的发生。溶血率愈低，血液相容性愈好，国际标准以溶血率5%为界限，大于5%则表明会发生溶血现象，小于5%则表明不会发生溶血现象，提示血液相容性良好。

生物材料血液相容性的评价指标还有动态凝血时间，复钙时间等。动态凝血时间是检测内源性凝血因子被激活的程度以及生物材料对凝血时间的影响。血液在生物材料表面形成凝固以后，血液中游离的红细胞减少，低渗透压条件下，游离的红细胞发生破裂，而凝固的红细胞则不会破裂，由此来判断生物材料的动态凝血时间。

血浆复钙时间是评估内源性凝血功能的一种方法，通过在去血小板血浆中加入钙离子，使纤维蛋白原转化为纤维蛋白，进一步形成血栓。复钙时间愈长，抗凝血性能愈强，血液相容性愈好。

文章研究显示聚酯类抗凝血生物材料和钛类抗凝血生物材料溶血率低，血小板黏附少，纤维蛋白原吸附少，动态凝血时间和复钙时间均延长，具有良好的血液相容性，是目前较为理想的抗凝血生物材料。

作者贡献：张明华负责实验设计及实施，并解析相关数据，郑海燕审校。
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