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)導管在診斷和治療癌癥、終末期腎病、心血管等疾病時是必不可少的。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，迄今為止沒有技術(shù)可以同時解決以上難題。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)備導管自身能夠抵抗細菌粘附和抗血栓形成的技術(shù)亟待開發(fā)。
為解決上述的問題，麻省理工學院趙選賀教授和羅切斯特梅奧醫(yī)學中心C. Nabzdyk教授團隊創(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)用級的Tygon（聚氯乙烯）導管表面，通過一系列體外試驗，發(fā)現(xiàn)水凝膠涂層使得細菌在醫(yī)用級導管上的附著降低了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)且不會影響血液自身的凝血能力。同時，在豬體內(nèi)模型表明：凝膠層的存在使得醫(yī)用導管內(nèi)血液凝結(jié)時間增加了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】
圖1 水凝膠涂層在醫(yī)療器械表面的示意圖
導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。導管表面首先在二苯甲酮的乙醇溶液中進行活化，隨后加入水凝膠前驅(qū)體溶液中，通過紫外光固化在Typon CPB 導管上獲得超薄（≈10μm）、均勻的水凝膠涂層。
【力學和抗菌性能】
圖2 水凝膠涂層的力學和抗菌性能
對涂層的力學和抗菌性能評估結(jié)果表明，涂層在經(jīng)過多次剪切力作用后，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。在沒有抗生素的情況下，利用熒光顯微鏡觀察靜態(tài)和動態(tài)兩種情況下大腸桿菌分布情況。實驗表明涂層能有效防止大腸桿菌的粘附且在導管上的附著降低了95%。
【涂層抗凝血性能】
圖3 體外動態(tài)和靜態(tài)血液測試
為進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管的相互作用，發(fā)現(xiàn)在不同時間點上，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，利用牛全血來評估設(shè)備的生物相容性。在靜態(tài)條件下，涂層對血栓的形成影響較小。但是在動態(tài)環(huán)境中，血液在涂層化導管中形成的血栓不會附在管壁上，凝血時間較長且涂層并未引起任何明顯的溶血現(xiàn)象。此外，通過對比實驗分析血液樣本的凝血時間和凝血強度，發(fā)現(xiàn)涂層對血液自身的凝血無影響。
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圖4 體外血液循環(huán)測試
模擬臨床體外血液循環(huán)條件，讓血液在封閉裝置的導管中持續(xù)流動，直到對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管壁上90%血液凝結(jié)。這也證實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)備栓塞測試
為了驗證涂層延緩凝血的效果，在巴馬豬髂動脈上進行了體內(nèi)實驗。多普勒超聲和超聲成像結(jié)果表明涂層化硅橡膠導管中血液凝塊與導管壁的粘附減弱，讓設(shè)備的凝結(jié)阻塞時間提高了60%左右。證實了醫(yī)療導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)療導管中，不僅可以延緩血液凝塊在導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)生的風險。該水凝膠涂層具有優(yōu)異的機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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