李金友 李 彤 高文卿 于美麗 胡曉旻 許 晉 陸海濱 于廣棟
(天津醫(yī)科大學(xué)研究生院,天津 300170)2(天津市第三中心醫(yī)院,天津 300170)3(天津市人工細(xì)胞重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300170)
隨著體外循環(huán)技術(shù)的發(fā)展,體外循環(huán)管路的血液相容性和生物相容性受到了醫(yī)學(xué)界的高度重視。自發(fā)現(xiàn)肝素涂層人工材料表面能夠改善材料的抗凝性能和生物相容性,并具有減少體外循環(huán)肝素化肝素用量、降低輸血率和減少并發(fā)癥等優(yōu)點(diǎn)以來[1-3],各種肝素涂層方法不斷涌現(xiàn),主要分物理纏繞和化學(xué)固定兩大類,目前應(yīng)用較廣的是通過終點(diǎn)固定法結(jié)合肝素[4]。終點(diǎn)固定法肝素涂層管路有著良好的抗凝血性能,但是由于肝素原料及進(jìn)口套包價(jià)格昂貴,在一定程度上限制了其應(yīng)用。
海藻酸鈉是一種聚陰離子大分子多糖,具有良好的生物相容性和一定的抗凝性能[5],價(jià)格低廉容易獲得,廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)材料和生物工程方面[6,7]。本研究通過高碘酸鈉氧化獲得多醛基的OSA,利用終點(diǎn)固定法將OSA涂層物固定到體外循環(huán)用PVC管道內(nèi)表面(PVCS),對(duì)OSA涂層管道進(jìn)行生物相容性和血液相容性評(píng)價(jià),并與美敦力肝素涂層組(PVCM)、空白對(duì)照組(PVCC)進(jìn)行比較,以期獲得具備優(yōu)異生物相容性和良好抗凝性能的新型OSA涂層管路。
材料:BCA蛋白試劑盒(CAS:120509,上海生工),人血清白蛋白(10 g/50 mL,Behring GmbH,德國(guó)),人血清纖維蛋白原(CAS:9001-32-5,Calbiochem,德國(guó)),海藻酸鈉(CAS:9005-38-3,SIGMA-ALDRICH,美國(guó))高碘酸鈉(CAS:7790-28-5,SIGMA-ALDRICH,美國(guó))。
儀器:紅外分光光度計(jì)(NICOLET 6700,Thermo,美國(guó)),紫外分光光度計(jì)(UV-2800,日立,日本),凝血自動(dòng)分析儀(STA-R Evolution?,Diagnostica Stago,法 國(guó)),血細(xì)胞分析儀(ADVIA2120,SIEMENS,德國(guó)),掃描電鏡(FEI臺(tái)式,美國(guó))
1.2.1 OSA的制備及氧化度測(cè)定
1.2.1.1 海藻酸鈉氧化處理
依照文獻(xiàn)[8]方法,制備 OSA。配質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的海藻酸鈉水溶液100 mL,然后按不同摩爾比(1∶1、1∶2、1∶4、1∶8、1∶10、1∶12)加入高碘酸鈉,避光磁力攪拌下反應(yīng)24 h,然后加入0.4 mL乙二醇終止反應(yīng)15 min,終止液加入4 g NaCl,混勻5 min,按體積比1∶5倒入無水乙醇中沉淀、析出,將沉淀物取出,真空抽吸,自然干燥。干燥后樣品再溶,后透析過夜,透析后樣品液經(jīng)冷凍干燥后得終產(chǎn)物OSA。
1.2.1.2 海藻酸鈉24 h氧化度測(cè)定
按文獻(xiàn)[9],采用碘化鈉-淀粉糊精法制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。取氧化24 h的海藻酸鈉溶液2.5 mL,迅速加入工作液2.5 mL,避光作用50 min后在480 nm處測(cè)定吸光度值,最后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出高碘酸鈉消耗量。
式中,N為高碘酸鈉消耗量(mol),M0為樣品質(zhì)量(g),198為海藻酸鈉單元分子量(g/mol)。
1.2.2 體外循環(huán)PVC管路表面涂層物的固定
1.2.2.1 體外循環(huán)PVC管路表面預(yù)處理及修飾
取內(nèi)表面積為50 cm2的普通PVC管,放入預(yù)配好的高錳酸鉀濃硫酸溶液,酸化處理5 min;蒸餾水沖洗經(jīng)酸化處理后的PVC管;將酸化處理后的PVC管放入不同濃度聚乙烯亞胺(polyethyleneimine,PEI)溶液中,pH調(diào)到9,常溫下進(jìn)行氨基化修飾,修飾時(shí)間20 min;蒸餾水充分沖洗,獲得不同PEI濃度條件下制備出的氨基化修飾的PVC管。
1.2.2.2 OSA涂層物的終點(diǎn)固定
配制不同濃度的 OSA溶液500 mL,將 OSA溶液pH調(diào)到不同值,并將OSA溶液倒入表面修飾后的PVC管路中,兩端封閉,在不同溫度下水浴2 h。最終制備出不同條件下OSA涂層的PVC管路。
1.2.3 OSA涂層物密度測(cè)定
按文獻(xiàn)[10]方法建立多糖定量標(biāo)準(zhǔn)曲線方程。取OSA涂層管路反應(yīng)后溶液2 mL加入1 mL苯酚,再迅速加入5 mL濃硫酸,沸水浴15 min,然后取出容量瓶自然冷卻,取反應(yīng)液在630 nm處測(cè)吸光度值,將反應(yīng)前后吸光度值代入多糖定量標(biāo)準(zhǔn)曲線方程,算出反應(yīng)前后OSA濃度差值,并計(jì)算涂層管路內(nèi)表面OSA涂層密度。
涂層密度 =(反應(yīng)前濃度-反應(yīng)后濃度)×
1.2.4 OSA涂層最佳條件篩選
1.2.4.1 OSA最佳氧化度的篩選
在其他反應(yīng)條件不變的情況下,選用高碘酸鈉和海藻酸鈉摩爾比為1∶8、1∶10和1∶12制備的 OSA進(jìn)行涂層,并分別編號(hào)為PVCSH、PVCSM和PVCSL組。計(jì)算3組涂層密度并進(jìn)行比較,以期獲得涂層效果最佳的氧化度。
1.2.4.2 OSA涂層PVC管路最佳條件的篩選
利用正交設(shè)計(jì)的方法,將酸的濃度、PEI濃度、OSA溶液濃度、OSA溶液pH值和溫度作為5種因素,每種因素3個(gè)水平:酸的濃度分別為40%、50%和70%;PEI濃度分別為 0.05、0.1和0.5 mg/mL;OSA溶液濃度分別為0.1、0.5和2 mg/mL;pH值分別為3.5、6和9;溫度分別為30℃、40℃和50℃;通過SPSS17.0生成正交表;按生成的正交表設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),并重復(fù)3次,采用硫酸-苯酚法定量涂層的密度,并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,篩選最佳涂層條件。
1.2.5 涂層表面血液凝固時(shí)間測(cè)定
評(píng)價(jià)指標(biāo)包括部分凝血活酶時(shí)間(APTT)、凝血酶原時(shí)間(PT)、凝血酶時(shí)間測(cè)定(TT)和FT(纖維蛋白原時(shí)間)。方法為剪10 cm2的樣管,置于24孔板中并用生理鹽水常溫下浸泡1 h;取健康自愿者血液,在3 500 r/min條件下離心15 min,得到貧血小板血漿(PPP),測(cè)定孵育前 PPP凝血4項(xiàng)值;吸凈24孔板中生理鹽水,加入 PPP 750 μL,置于37℃水浴箱內(nèi)孵育1 h,抽取孵育后的血漿,測(cè)定反應(yīng)后凝血4項(xiàng)的值。
1.2.6 涂層表面蛋白吸附實(shí)驗(yàn)
按試劑盒方法建立BCA法蛋白粘附的標(biāo)準(zhǔn)曲線。測(cè)定各組人血清白蛋白和纖維蛋白粘附量并進(jìn)行對(duì)比分析。
依照文獻(xiàn)[11]的方法,配制200 μg/mL的蛋白工作液,然后將10 cm2的樣管加入到24孔板中,加入蛋白工作液1.5 mL,37 ℃下反應(yīng)1 h,取100 μL待測(cè)反應(yīng)液加1 mL BCA工作液,迅速混勻,60℃水浴30 min后于562 nm處測(cè)吸光度值,由標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算反應(yīng)前后蛋白濃度差值,得到蛋白粘附密度。
1.2.7 涂層表面血小板粘附評(píng)價(jià)
依照文獻(xiàn)[12],取健康志愿者血漿,將新鮮血漿在800 r/min條件下,離心10 min,取上層血漿,得到富血小板血漿(PRP),測(cè)定反應(yīng)前PRP血小板值PLT1;剪10 cm2的樣管,置于 24孔板中,加入 PRP 500 μL,于37 ℃ 孵育1 h,取出孵育后的 PRP,并測(cè)定血小板值 PLT2,然后計(jì)算反應(yīng)前后血小板的差值。
1.2.8 表面血栓形成實(shí)驗(yàn)
按文獻(xiàn)[13]的方法,將10 cm2的樣管沖洗3次后放于24孔板中,真空干燥并稱重編號(hào)W1,取健康志愿者新鮮全血1.5 mL加入到24孔板中,在37℃下孵育30 min,取出樣管,PBS沖洗3次,沖去表面粘附不牢固的血栓,真空干燥,稱重W2,計(jì)算反應(yīng)前后的差值。
血栓粘附量(mg)=W1-W2(6)
1.2.9 PVCS和PVCM脫落率測(cè)定
將制備好的長(zhǎng)為1 m的PVCS管路連接到ECMO上,流量控制為2.4 L/min,轉(zhuǎn)流72 h,分別在 0.5、1、2、4、8、12、24、48、72 h,取轉(zhuǎn)流液體,用硫酸苯酚法測(cè)得轉(zhuǎn)流液中OSA濃度,并計(jì)算相對(duì)應(yīng)時(shí)間的PVCS中OSA脫落率,,并重復(fù)3次。同時(shí)用同樣的方法將PVCM連接到ECMO上,同樣的條件轉(zhuǎn)流72 h,并在相同的時(shí)間點(diǎn)取轉(zhuǎn)流液,用甲苯胺藍(lán)法測(cè)轉(zhuǎn)流液中肝素濃度,并計(jì)算PVCM中肝素脫落率。
1.2.10 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法檢驗(yàn)
所有數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(ˉx±s)表示,結(jié)果采用SPSS17.0軟件包進(jìn)行分析,組間比較采用方差分析,兩兩比較采用LSD檢驗(yàn),統(tǒng)計(jì)學(xué)差異檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)P <0.05。
2.1.1 海藻酸鈉氧化度標(biāo)準(zhǔn)曲線建立
根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立方法,計(jì)算得海藻酸鈉氧化度標(biāo)準(zhǔn)曲線:
2.1.2 海藻酸鈉氧化度
由圖1可見,隨著高碘酸鈉摩爾比例的增加,氧化度逐漸增加,梁曄等報(bào)道,當(dāng)海藻酸鈉氧化度較高(47%)時(shí),大劑量的OSA對(duì)細(xì)胞表現(xiàn)出較明顯的抑制作用,且隨著氧化度的增加,細(xì)胞毒性也隨著增加;但中等氧化度(24%)和低氧化度的OSA就表現(xiàn)出良好的生物相容性,細(xì)胞毒性較低,對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)無明顯抑制作用[14],與Gao等報(bào)道的氧化度小于30%的時(shí)候,具有非細(xì)胞毒性結(jié)果[15]相一致,故采用低氧化度的OSA作為反應(yīng)原料。
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線建立方法,得多糖定量標(biāo)準(zhǔn)曲線方程:
圖1 海藻酸鈉24 h氧化度Fig.1 The 24 hours oxidation degree of sodium alginate
2.3.1 OSA最佳氧化度的篩選
各級(jí)各有關(guān)部門始終把人民群眾的生命安全放在首位,及時(shí)發(fā)布洪水預(yù)警,全面排查危險(xiǎn)地區(qū)群眾,提前轉(zhuǎn)移受洪水威脅人員,有效保障了群眾生命安全。災(zāi)區(qū)各級(jí)政府多方籌集資金,加大安置和救濟(jì)工作力度,保障了受災(zāi)群眾基本生活。針對(duì)房屋損毀多、洪水時(shí)間長(zhǎng)的實(shí)際困難,黑龍江省強(qiáng)化受災(zāi)群眾集中安置與投親靠友安置,全力推進(jìn)房屋修繕重建,確保群眾安全溫暖過冬,幫助群眾盡快返遷。由于“以人為本”始終貫穿于各個(gè)工作環(huán)節(jié),大江大河洪水未造成一人死亡,災(zāi)區(qū)社會(huì)和諧穩(wěn)定。
計(jì)算3種氧化度OSA的涂層密度,結(jié)果如表1。PVCSM和PVCSL組相比,前者OSA涂層密度顯著大于后者(P=0.019);PVCSM與PVCSH組相比,前者OSA涂層密度顯著大于后者(P=0.029);PVCSL和PVCSH組相比,OSA涂層密度無顯著差異(P=0.926);故本實(shí)驗(yàn)采用氧化度為9.65%的OSA作為涂層材料。
表1 不同組涂層密度Tab.1 The coating density of different groups
2.3.2 OSA涂層PVC管路最佳條件的篩選
重復(fù)5因素3水平正交試驗(yàn)3次,結(jié)果如表2所示。根據(jù)分析結(jié)果結(jié)合試驗(yàn)條件篩選出最佳涂層條件為50%的濃硫酸、0.05%的PEI、反應(yīng)溶液pH3.5、反應(yīng)溫度為50℃和OSA濃度為2 mg/mL,測(cè)試管路涂層效果、血液相容性和生物相容性均以最優(yōu)條件涂層的管路作為樣品。
表2 正交實(shí)驗(yàn)中各組涂層密度Tab.2 The coating density of different groupsin the orthogonal table
各組反應(yīng)后凝血4項(xiàng)的值見表3。PVCS組PT和APTT延長(zhǎng)時(shí)間均顯著長(zhǎng)于PVCC組(P<0.05),但均劣于PVCM組(P<0.05);PVCS組TT和FT延長(zhǎng)時(shí)間均顯著長(zhǎng)于PVCC組(P<0.05)和PVCM組(P<0.05)。如圖2所示。提示PVCS組有良好的抗凝效果。
表3 不同分組的涂層管路抗凝血結(jié)果Tab.3 The anticoagulant results of different groups
圖2 各組抗凝血指標(biāo)柱形圖Fig.2 The anticoagulant indicators of different groups
2.5.1 蛋白粘附的標(biāo)準(zhǔn)曲線
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線制定方法,制定蛋白吸附標(biāo)準(zhǔn)曲線方程:
2.5.2 涂層表面蛋白粘附量
計(jì)算蛋白粘附量得表4,結(jié)果提示PVCS組人血清白蛋白粘附量顯著少于 PVCC組(P=0.000)和PVCM組(P=0.002)。PVCM組人血清白蛋白粘附量顯著少于PVCC組(P=0.002)。纖維蛋白粘附試驗(yàn)與人血清白蛋白粘附試驗(yàn)結(jié)果相似,PVCS組纖維蛋白粘附量顯著少于PVCC組(P=0.000)和PVCM組(P=0.029);PVCM組纖維蛋白粘附量顯著少于PVCC組(P=0.000)。涂層表面蛋白粘附量結(jié)果表明PVCS組具有良好的生物相容性。
表5結(jié)果提示PVCS與PVCC組相比,血小板粘附量顯著減少(P<0.05);PVCS與PVCM相比,無顯著差異(P>0.05);PVCM組與PVCC組相比,血小板粘附量顯著減少(P<0.05)。提示PVCS和PVCM能夠減少血小板的粘附,此結(jié)果可以在電鏡下得到佐證,見圖 3。
表4 不同組蛋白吸附量Tab.4 The protein adhesion amount of different groups
表5 不同組的血小板粘附結(jié)果Tab.5 The platelet adhesion results of different groups
由圖3(a)可以看出,PVCC組管路表面均粘附了較多的血小板及其碎片,并有血小板出現(xiàn)形態(tài)學(xué)的改變;而在PVCS組(圖3(b))和 PVCM 組(圖3(c)),電鏡下血小板粘附量明顯減少。提示PVCS組和PVCM具有良好的抗血小板粘附的能力。
計(jì)算血栓形成實(shí)驗(yàn)前后干重差值,如表6所示,提示PVCS組與PVCC組相比,血栓形成顯著減少(P<0.05),PVCS組與PVCM組相比,無顯著差異(P>0.05)。PVCM與PVCC組相比,血栓顯著減少(P<0.05)。提示PVCS和PVCM組都能有效的減少血栓形成,都具有良好的血液相容性。
通過計(jì)算得到,PVCM 組在 0.5、1、2、4、8、12、24、48、72 h時(shí)間點(diǎn)上的脫落率均值,依次為0.08%、0.22%、0.53%、0.86%、1.23%、1.32%、1.33%、1.33%和1.34%,可見隨著時(shí)間的延長(zhǎng)PVCM中肝素緩慢脫落到8 h的時(shí)間點(diǎn)基本趨于穩(wěn)定。而PVCS組在相同時(shí)間點(diǎn)上的脫落率均值分別為0.22%、0.52%、0.83%、1.26%、2.73%、3.2%、3.4%、3.5%和3.5%;由上可見,PVCS中OSA脫落率較PVCM中肝素脫落率稍高,但與PVCM有著相同的脫落趨勢(shì)。OSA涂層物脫落在第12 h趨于穩(wěn)定,能夠滿足短期體外循環(huán)的要求,結(jié)果如圖4所示。
圖3 不同分組電鏡下血小板粘附(5 000×)。(a)PVCC;(b)PVCS;(c)PVCMFig.3 The platelet adhesion of different groups under the electron microscopy(5 000 ×).(a)PVCC;(b)PVCS;(c)PVCM
表6 血栓形成密度Tab.6 The density of thrombosis
本研究應(yīng)用低氧化度的OSA作為涂層材料,通過最佳涂層條件的篩選試驗(yàn)證明,OSA涂層物能夠固定在PVC管路表面。
圖4 PVCS和PVCM脫落率Fig.4 The expulsion rate of PVCS and PVCM
凝血功能試驗(yàn),PT反映外源性凝血系統(tǒng),APTT反應(yīng)內(nèi)源性凝血系統(tǒng),PVCS組PT和APTT時(shí)間均顯著延長(zhǎng),顯示了良好的抑制內(nèi)源性和外源性凝血系統(tǒng)的效果,TT和FT均反映凝血系統(tǒng)的白血栓的形成,PVCS組TT和FT時(shí)間均顯著延長(zhǎng),說明PVCS組能夠抑制血栓的形成,這與Andersson[16]等報(bào)道相一致。
蛋白粘附試驗(yàn)結(jié)果表明,PVCS組抗蛋白粘附的效果優(yōu)于PVCM,體現(xiàn)了PVCS優(yōu)越的生物相容性,這也提示PVCS組能夠彌補(bǔ)肝素生物相容性稍差的不足。
血小板粘附試驗(yàn)結(jié)果提示PVCS與PVCM均具有良好的抗血小板粘附的作用,體現(xiàn)了兩組管路良好的血液相容性,這個(gè)試驗(yàn)結(jié)果與Manju等研究結(jié)果[17]相吻合。血栓形成試驗(yàn)也證明PVCS組具有減少血栓形成的作用。
盡管PVCS組脫落率稍高于于PVCM組,但是完全能夠滿足短期的體外循環(huán)支持的心外手術(shù)。若PVCS組管路代替心外手術(shù)體外循環(huán)應(yīng)用的未涂層PVC管路,理論上可以起到減少血栓形成、降低肝素化的肝素用量、減少炎癥反應(yīng)和降低并發(fā)癥發(fā)生率的效果。此外,由于PVCS組制作成本較低,原材料獲取容易,適合臨床大范圍推廣甚至是常規(guī)應(yīng)用,為短期體外循環(huán)用管路提供了一個(gè)良好的思路。
本研究結(jié)果定量試驗(yàn)顯示PVCS組上有效的固定了OSA,而且其72 h內(nèi)的脫落率在3.5%左右,雖然稍高于PVCM組中肝素的脫落率,但是仍保持較低水平,顯示了較好的穩(wěn)定性。血液相容性試驗(yàn)顯示出PVCS組管路能夠起到良好的抗凝和減少血栓形成的效果,但是其性能與PVCM組相比稍差。生物相容性試驗(yàn)顯示出PVCS組管路能夠有效的減少人血清白蛋白和纖維蛋白的粘附,且其性能優(yōu)于PVCM組。綜合看PVCS組管路具有較好的穩(wěn)定性、優(yōu)越的生物相容性和較好的血液相容性,為體外循環(huán)用涂層管路,提供一個(gè)價(jià)格較為低廉的新的涂層材料。
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