由于人口老齡化以及慢性病發(fā)病率較高，心血管設(shè)備，如血管內(nèi)導(dǎo)管在診斷和治療癌癥、終末期腎病、心血管等疾病時(shí)是必不可少的。但是使用心血管醫(yī)療設(shè)備而引起的血栓栓塞和感染性并發(fā)癥仍然很難避免，迄今為止沒(méi)有技術(shù)可以同時(shí)解決以上難題。現(xiàn)有的表面改性方法（如銀、肝素和液體浸漬表面）并不能徹底解決問(wèn)題，且大多數(shù)商業(yè)化技術(shù)都是基于治療其并發(fā)癥的，僅適用于特定患者群體和短期使用。因此，一種能夠讓設(shè)備導(dǎo)管自身能夠抵抗細(xì)菌粘附和抗血栓形成的技術(shù)亟待開發(fā)。
為解決上述的問(wèn)題，麻省理工學(xué)院趙選賀教授和羅切斯特梅奧醫(yī)學(xué)中心C. Nabzdyk教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性的開發(fā)出一種具有良好粘附性、超薄的韌性水凝膠涂層引入到醫(yī)用級(jí)的Tygon（聚氯乙烯）導(dǎo)管表面，通過(guò)一系列體外試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水凝膠涂層使得細(xì)菌在醫(yī)用級(jí)導(dǎo)管上的附著降低了95%，有效的減弱血液在裝置表面的凝結(jié)，減少了90%的血液凝結(jié)且不會(huì)影響血液自身的凝血能力。同時(shí)，在豬體內(nèi)模型表明：凝膠層的存在使得醫(yī)用導(dǎo)管內(nèi)血液凝結(jié)時(shí)間增加了60%。這種涂層的優(yōu)越性使其有望成為與血液連接的醫(yī)療器械表面材料。該研究以題為“Ultrathin and Robust Hydrogel Coatings on Cardiovascular Medical Devices to Mitigate Thromboembolic and Infectious Complications”的論文發(fā)表在《Advanced Healthcare Materials》上。
【原理及設(shè)計(jì)】
圖1 水凝膠涂層在醫(yī)療器械表面的示意圖
導(dǎo)管的抗菌以及抗血栓形成的優(yōu)異性能主要依賴于水凝膠超薄涂層的存在。導(dǎo)管表面首先在二苯甲酮的乙醇溶液中進(jìn)行活化，隨后加入水凝膠前驅(qū)體溶液中，通過(guò)紫外光固化在Typon CPB 導(dǎo)管上獲得超薄（≈10μm）、均勻的水凝膠涂層。
【力學(xué)和抗菌性能】
圖2 水凝膠涂層的力學(xué)和抗菌性能
對(duì)涂層的力學(xué)和抗菌性能評(píng)估結(jié)果表明，涂層在經(jīng)過(guò)多次剪切力作用后，摩擦系數(shù)仍保持不變。而且能夠在承受類似生理環(huán)境流體持續(xù)流動(dòng)12h，涂層的厚度、親水性基本保持不變，展現(xiàn)了優(yōu)異的韌性和結(jié)構(gòu)完整性。在沒(méi)有抗生素的情況下，利用熒光顯微鏡觀察靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種情況下大腸桿菌分布情況。實(shí)驗(yàn)表明涂層能有效防止大腸桿菌的粘附且在導(dǎo)管上的附著降低了95%。
【涂層抗凝血性能】
圖3 體外動(dòng)態(tài)和靜態(tài)血液測(cè)試
為進(jìn)一步反饋表面的防污特性，利用共聚焦顯微鏡觀察肝素化的人血與導(dǎo)管的相互作用，發(fā)現(xiàn)在不同時(shí)間點(diǎn)上，在原始底物上形成的纖維蛋白沉淀和網(wǎng)絡(luò)都明顯更多。表明涂層具有良好的抗蛋白粘附效果。同時(shí)，利用牛全血來(lái)評(píng)估設(shè)備的生物相容性。在靜態(tài)條件下，涂層對(duì)血栓的形成影響較小。但是在動(dòng)態(tài)環(huán)境中，血液在涂層化導(dǎo)管中形成的血栓不會(huì)附在管壁上，凝血時(shí)間較長(zhǎng)且涂層并未引起任何明顯的溶血現(xiàn)象。此外，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析血液樣本的凝血時(shí)間和凝血強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)涂層對(duì)血液自身的凝血無(wú)影響。
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圖4 體外血液循環(huán)測(cè)試
模擬臨床體外血液循環(huán)條件，讓血液在封閉裝置的導(dǎo)管中持續(xù)流動(dòng)，直到對(duì)照組血液在靜置下完全凝固。結(jié)果顯示，涂層的存在減少了導(dǎo)管壁上90%血液凝結(jié)。這也證實(shí)了在不需要使用抗血栓藥物的情況下，水凝膠涂層具有解決血栓引起的并發(fā)癥的潛力。
【體內(nèi)抗凝血性】
圖5 體內(nèi)設(shè)備栓塞測(cè)試
為了驗(yàn)證涂層延緩凝血的效果，在巴馬豬髂動(dòng)脈上進(jìn)行了體內(nèi)實(shí)驗(yàn)。多普勒超聲和超聲成像結(jié)果表明涂層化硅橡膠導(dǎo)管中血液凝塊與導(dǎo)管壁的粘附減弱，讓設(shè)備的凝結(jié)阻塞時(shí)間提高了60%左右。證實(shí)了醫(yī)療導(dǎo)管中引入超薄水凝膠涂層也可以延緩血液凝塊的形成和粘附。
總結(jié)：將水凝膠涂層應(yīng)用到醫(yī)療導(dǎo)管中，不僅可以延緩血液凝塊在導(dǎo)管表面的形成和粘附，且表現(xiàn)出良好的抑菌效果，能夠有效降低因使用血液接觸型醫(yī)療設(shè)備引起的血栓栓塞和感染性并發(fā)癥發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。該水凝膠涂層具有優(yōu)異的機(jī)械性能和良好的生物相容性，是一種非常有前景的醫(yī)用表面材料，尤其是在與血液連接的醫(yī)療器械應(yīng)用領(lǐng)域。
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