形状记忆聚合物聚醚多元醇_异氰酸酯的组织相容性

1、 第 33卷 第 3期2012年 5月武汉大学学报 (医学版 M e d i c a l J o u r n a l o f W u h a n U n i v e r s i t yV o l . 33N o . 3 M a y , 2012课题来源 :国家大学生创新实验项目 (编号 :091048651作者简介 :文英 , 女 , 1986-, 医学博士生 , 主要从事生物材料治疗心肌梗死的基础及临床研究通讯作者 :蒋学俊 , 男 , 1967-, 医学博士 , 教授 , 主任医师 , 主要从事介入心脏病学和生物材料的医学应用研究形状记忆聚合物聚醚多元醇 -异氰酸酯的组织相容性文 英 陈

2、丹 贺素媛 蒋学俊 胡金莲黄华华 李晓艳 任 珊武汉大学人民医院心内科 211实验室 湖北 武汉 430060摘要 目的 :探讨新型形状记忆聚合物 (S M P 聚醚多元醇 -异氰酸酯 (P TM E G -M D I 的生物安全性及组织相容 性 , 为其应用于生物医学领域提供理论依据 。 方法 :将 P TM E G -M D I 植入实验组大鼠后肢皮下 , 对照组仅进行手术 操作 , 不埋植 P TM E G -M D I , 分别于术后 3d 及 1, 2, 4周抽血行血常规及肝肾功能检 测 , H E 切 片 行 组 织 学 检 查 。 结果 :两组动物血常规及肝肾功能指标无显著性差异

3、 , 病 理 组 织 切 片 示 材 料 植 入 后 周 围 组 织 反 应 符 合 一 般 炎 症 变 化的转归规律 。 结论 :新型形状记忆聚合物 P TM E G -M D I 具有良好的生物安全性及组织相容性 , 可应用于生物医 学领域 。关键词 形状记忆聚合物 ; 聚氨酯 ; 生物相容性中图分类号 Q 274 文献标识码 A 文章编号 1671-8852(2012 03-0359-04H i s t o c o m p a t i b i l i t y o f S h a p e -M e m o r y P o l y m e r P T M E G -M D IW E N Y

4、i n g , C H E N D a n , H E S u y u a n , J I A N G X u e j u n , H U J i n l i a n ,H U A N G H u a h u a , L I X i a o y a n , R E N S h a nD e p t . o f C a r d i o l o g y , R e n m i n H o s p i t a l o f W u h a n U n i v e r s i t y , W u h a n 430060, C h i n aA b s t r a c tO b j e c t i v

5、e :T o i n v e s t i g a t e t h e b i o -s a f e t y a n d h i s t o c o m p a t i b i l i t y o f P TM E G -M D I , a n e w s h a p e -m e m o r y p o l y m e r , i n o r d e r t o p r o v i d e t h e t h e o r e t i c a l b a c k g r o u n d f o r b i o m e d i c a l a p p l i c a t i o n . M e t

6、 h o d s :P TM E G -M D I w a s i m p l a n t e d s u b c u t a n e o u s l y i n r a t s h i n d l i m b a s t r e a t m e n t , w h i l e n o t h i n g w a s i m p l a n t e d b u t s u r g e r y o n l y s e r v e d a s c o n t r o l . B l o o d r o u t i n e , l i v e r a n d k i d n e y f u n c

7、-t i o n , a n d h i s t o l o g i c a l e x a m i n a t i o n w e r e t e s t e d i n t h r e e d a y s , o n e w e e k , t w o w e e k s a n d f o u r w e e k s a f t e r s u r g e r y . R e s u l t s :T h e r e i s n o s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e i n b l o o d r o u t i n e , l i v

8、e r a n d k i d n e y f u n c t i o n b e t w e e n t h e t r e a t m e n t g r o u p a n d c o n t r o l g r o u p . H i s t o l o g i c a l a n a l y s i s i n d i c a t e s t h a t t h e i n f l a m m a t o r y r e s p o n s e o f t h e i m p l a n t e d P TM E G -M D I f i t s t h e g e n e r a

9、l r u l e o f t h e i n f l a m m a t i o n . C o n c l u s i o n :N e w s h a p e m e m o r y p o l y m e r P TM E G -M D I h a s a s a t i s f a c t o r y b i o -s a f e t y a n d h i s t o c o m -p a t i b i l i t y a n d c a n b e u s e d a s a n e w b i o m e d i c a l m a t e r i a l .K e y W

10、o r d s S h a p e -M e m o r y P o l y m e r ; P o l y u r e t h a n e ; B i o c o m p a t i b i l i t y 形 状 记 忆 聚 合 物 (s h a p e m e m o r y p o l y m e r s , S M P s 是一类受到热 、 电 、 机械 、 化学等外界刺激时 , 形状参数可发 生 暂 时 性 改 变 , 当 再 得 到 同 样 刺 激 时 又 可 恢 复 到 最 初 形 状 的 一 类 智 能 材 料 1。 根 据武汉大学学报 (医学版 第 33卷S M P s 的

11、 “ 形变 开 关 ” 不 同 , 可 分 为 热 致 型 、 光 致 型 、 电磁致型 、 p H 致型 S M P s 。 其中热致型形状记忆聚 合物 (T h e r m o -i n d u c e d s h a p e m e m o r y p o l y m e r s , T i -S M P s 能响应外 界 的 温 度 刺 激 改 变 、 固 定 变 形 形 状 及体积 , 当再次 接 受 相 同 的 温 度 刺 激 时 可 回 复 到 初 始形态 。 与其 它 类 型 的 S M P s 相 比 , T i -S M P s 在 生 物体内的形变 更 容 易 实 现 ,

12、 因 而 在 生 物 医 学 领 域 应 用广泛 2。聚醚多 元 醇 -异 氰 酸 酯 (P TM E G -M D I 是 由 聚 醚多元醇 (P TM E G 与异氰酸酯 (M D I 反 应 合 成 的 一种新型 T i -S M P s , 本 实 验 拟 对 其 在 体 生 物 安 全 性 和组织相容性 进 行 研 究 , 为 其 应 用 于 生 物 医 学 领 域 提供一定理论依据 。1 材料与方法1. 1 实 验 动 物 S P F 级 健 康 雄 性 W i s t a r 大 鼠 34只 , 体重 240-280g , 由 北 京 华 阜 康 生 物 科 技 股 份 有 限公

13、司提供 。1. 2 主要材料与仪器 P TM E G -M D I 由香港理 工大学纺织制衣学系胡金莲教授提供 ; 仪器 :全自 动动物血液细胞分析仪 (迈瑞 B C -2600, 中国 ; 全自 动生化分析仪 (O l y m p u s A U 5400, 日本 ; 试剂 :迈 瑞 B C -2600配 套 的 动 物 专 用 红 细 胞 稀 释 液 和 溶 血 剂 ; O l y m p u s A U 5400配套的生化试剂 。1. 3 实验方法 3 34只 W i s t a r 大鼠随机分成实验 组 (S M P 组 和对照组 (S h a m 组 , 每组 17只 。 将经 过环

14、氧乙 烷 消 毒 的 P TM E G -M D I 裁 剪 成 1c m×1 c m 的片状 , 常规 无 菌 操 作 下 植 入 S M P 组 大 鼠 大 腿 两侧 皮 下 , 每 侧 1张 。 S h a m 组 进 行 相 同 的 手 术 操 作 , 但不植 入 P TM E G -M D I 。 观 察 大 鼠 术 后 一 般 情况 、 活动能力及局部伤口愈合情况 。 分别于术后 3d 及 1, 2, 4周禁食 12h , 经颈外静脉穿刺取血 , 由迈 瑞 B C -2600全自动动物血液细胞分析仪进行血常规 检测 ; 全 血 0. 5m l 离心 (3 500r /m

15、i n , 10m i n 收 集 血清 , O l y m p u s A U 5400全 自 动 生 化 分 析 仪 测 定 丙 氨酸 氨 基 转 移 酶 (A L T 、 天 冬 氨 酸 氨 基 转 移 酶 (A S T 、 肌酐 (S c r 及尿素 氮 (B U N ; 各组每 次 腹 腔 注射过量戊巴比 妥 钠 处 死 大 鼠 3只 , 大 体 观 察 切 口 愈合程度 、 植入物及周围组织情况 , 并切取植入物及 其周围组织 , 4%多聚甲醛固定 24h , 石蜡包埋 , 4m 切片 , H E 染色观察炎性细胞局部浸润情况 。 1. 4 统计学方法 采用 S P S S 19.

16、 0软 件 进 行统计 学分析 。 实验结果以均数 ±标准差 (珔 x ±s 表示 。 组 间比较采用独 立 样 本 t 检 验 , P <0. 05为 差 异 具 有 统计学意义 。2 结果2. 1 大鼠术后一般状态及大体观察 34只大 鼠术 后 状 态 良 好 , 麻 醉 苏 醒 后 可 正 常 饮 水 及 进 食 , 与 S h a m 组相比 , S M P 组大鼠后肢活动未受影响 , 手术 切口均无感染 、 红肿及分泌物 排 出 。 3d 时 , 缝 线 已 完全或部分拆除 , 但手术切口未完全愈合 , P TM E G -M D I 与周围组织贴合良好 ,

17、 肉 眼未见明 显 炎 症浸润 迹象 ; 1周时切口缝线完全拆除 , 切缘处 瘢 痕 组织形 成 , P TM E G -M D I 周围有少量包膜形成 ; 2周时切缘 处瘢痕组织基本吸收 , 皮肤完全修复 , 皮下包埋 P T -M E G -M D I 被 包 膜 完 全 包 裹 ; 至 4周 时 P TM E G -M D I 形状无明显改变 , 未见明显降解及吸收迹象 。 2. 2 皮下埋植后大鼠血常规变化 见表 1。表 1 P T M E G -M D I 皮下埋植对大鼠血常规的影响 (n =8, 珔 x ±s 时间 组别 W B C (×109/L L y m

18、p h (×109/L M i d (×109/L G r a n (×109/L H b (g /L R B C (×1012/L P L T (×109/L 3d S M P 5. 26±1. 21 2. 29±0. 90 1. 66±0. 67 1. 31±0. 54 138. 25±18. 45 7. 44±0. 98 534. 25±61. 51 S h a m 5. 01±1. 09 2. 19±0. 72 1. 35±0. 86 1

19、. 48±0. 30 141. 00±25. 34 7. 82±1. 50 473. 88±103. 22 1周 S M P 4. 54±1. 76 1. 84±0. 53 1. 26±0. 29 1. 44±1. 49 144. 14±10. 22 7. 90±0. 65 481. 14±91. 95 S h a m 4. 29±2. 50 1. 64±0. 97 1. 49±0. 73 1. 16±0. 94 141. 00±27.

20、 72 7. 64±1. 49 527. 38±117. 04 2周 S M P 4. 96±1. 63 2. 11±0. 70 1. 29±1. 21 1. 33±0. 38 145. 50±16. 55 8. 54±0. 89 476. 00±58. 23 S h a m 4. 09±1. 89 1. 41±0. 76 1. 16±1. 00 2. 40±1. 87 145. 50±9. 53 8. 26±0. 82 457. 25±

21、;55. 28 4周 S M P 4. 36±0. 49 2. 26±0. 70 0. 81±0. 34 1. 25±0. 35 150. 5±19. 92 8. 61±0. 60 504. 25±67. 27 S h a m 5. 55±1. 84 3. 20±1. 79 0. 96±0. 64 1. 39±0. 33 162. 63±16. 04 8. 85±0. 41 508. 38±97. 88 W B C :白细胞计数 ; L y m p h :

22、淋巴细胞计数 ; M i d :中间细胞计数 ; G r a n :中性粒细胞计数 ; H b :血红蛋白 ; R B C :红细胞计数 ; P L T :血小数计数 如表 1所示 , 皮下埋植 P TM E G -M D I 不同时间 后 , 两组大鼠外 周 血 白 细 胞 总 数 及 各 类 白 细 胞 数 均 无显著性差异 (P >0. 05 , 表 明 P TM E G -M D I 皮 下 埋植未引起明显炎症反应 ; 两组大鼠外周血白细胞 、 红细胞 、 血小板 计 数 及 血 红 蛋 白 含 量 亦 无 显 著 性 差 异 (P >0. 05 , 表 明 P TM E

23、G -M D I 皮 下 埋 植 未 影 响 大鼠造血系统功能 。2. 3 肝肾功能检测 见表 2。0 6 3 第 3期 文 英 , 等 . 形状记忆聚合物聚醚多元醇 -异氰酸酯的组织相容性 表 2 P T M E G -M D I 皮下埋植对大鼠肝肾功能的影响 (n =8, 珔 x ±s 时间 组别 A L T (U /L A S T (U /L B U N (m m o l /L S c r (m o l /L 3dS M P 42. 63±5. 48 106. 25±14. 25 5. 08±0. 78 31. 90±3. 58*S h

24、a m 48. 50±5. 48 136. 88±15. 28 5. 56±1. 10 36. 73±4. 601周S M P 28. 57±4. 89 138. 14±12. 43 5. 30±0. 62 38. 53±5. 21S h a m 30. 25±2. 55 175. 88±13. 41 5. 29±0. 69 40. 34±2. 872周S M P 37. 75±8. 84*139. 75±29. 29 6. 21±0. 74 4

25、4. 56±5. 51S h a m 49. 13±9. 42 144. 60±21. 79 6. 63±1. 34 43. 44±11. 154周S M P 38. 13±8. 03 129. 38±24. 84 5. 56±0. 85 38. 79±5. 97S h a m 46. 25±17. 61139. 38±19. 466. 26±0. 9143. 53±4. 28 与 Sh a m 组比 , *P <0. 05, P <0. 01 如 表

26、2所 示 ,S M P 组 大 鼠 3d 时 A S T 、 S c r 水 平 , 1周时 A S T 水平 , 2周时 A L T 水平明显 低于同 期 S h a m 组 大 鼠 (P <0. 05外 , 其 余 指 标 与 同 期 S h a m 组 相 比 无 显 著 性 差 异 (P >0. 05 , 表 明 P T -M E G -M D I 皮下埋植未影响大鼠肝肾功能 。 2. 4 组织学评价 见图 1 。图 1 P T M E G -M D I 皮下埋植后局部组织切片 (H E ×200A -D 依次为 S h a m 组 3d , 1周 , 2周 ,

27、4周切片 ; E -H 依次为 S M P 组 3d , 1周 , 2周 , 4周切片 如图 1所示 ,3d 时 S h a m 组及 S M P 组 炎 性 细 胞浸润明显 , 以 成 纤 维 细 胞 及 淋 巴 细 胞 浸 润 为 主 ; 7d 时 , S h a m 组及 S M P 组炎性细胞浸润无明显增加 ; 此后 , 两组炎症反 应 均 明 显 减 退 , 2周 时 , S M P 组 植 入物周围有纤 维 状 物 形 成 , 但 未 见 明 显 纤 维 包 囊 ; 4周时 S h a m 组基本恢复正常 , S M P 组植 入 物 周 围 纤 维包囊形 成 , 炎 性 细 胞

28、明 显 减 少 , 并 可 见 新 生 血 管 形成 。3 讨论随着科学技 术 的 发 展 及 生 活 水 平 的 提 高 , 社 会 对医疗卫生行 业 的 要 求 也 不 断 提 高 , 微 创 医 学 应 运 而生 。 微创手术切口更小 , 结构损伤更少 , 可达到与常规外科手术相同的治疗目的 , 促进术后康复 , 减少 医源性创伤和合并症 , 成功范例包括宫腔镜 、 腹腔镜 手术代替开腹 手 术 ,冠 状 动 脉 支 架 植 入 术 代 替 冠 状 动脉旁路术等 。 S M P s 的发现与应用可简化微创手 术操作 , 促进微创医学的发展 , 已被制成多种医疗器件 , 如手术缝线 4、

29、血管内支架 5、 节育环 6、 血栓剥 除装置 7等 , 显示出远大的临床应用前景 。 由于各种 因 素 的 限 制 , S M P s 制 成 的 医 疗 器 件 多局限于实验室研究 , 未能有效应用于临床 , 目前研 究最广泛 的 T i -S M P s 也 不 例 外 。 制 约 T i -S M P s 应 用最突出的 问 题 在 于 相 转 变 温 度 (T t r a n s过 高 , 需 通过电流 7、 激光 8等提供能量辅助 , 从而可能给周围组织带来热损伤 , 并存在形变回复率低 、 形变回复速度慢等难以克服的问题 8。 163武汉大学学报 (医学版 第 33卷P TM E

30、 G -M D I 是以 P TM E G 为可逆相 、 M D I 为 固定相合成的聚氨酯 , 其中 , 固定相的玻璃化转变温 度 (g l a s s t r a n s i t i o n t e m p e r a t u r e o f f i x i n g s e g m e n t , T g f 高于可逆相的玻璃化转变温度 (g l a s s t r a n s i t i o n t e m p e r a t u r e o f s w i t c h i n g s e g m e n t , T g s 。 其形状记 忆机理可简单地描述为 :P TM E G -M

31、D I 合成后 , 升温 到 T g f 以 上 , P TM E G -M D I 一 次 成 型 , 随 后 降 温 至 T g s 以下 , 固定 相 和 可 逆 相 被 冻 结 , 获 得 初 始 形 状 ; 在使用前 , 升温至 T g f 、 T g m 之间 , 施加负荷进行二 次塑型可获得 符 合 使 用 要 求 的 临 时 形 状 , 保 持 此 形 状降温至 T g s 以下 , 冻结可逆 相 , 临时形 状 被 固 定 ; 此后若温度上升至 T g s 以 上 (不超 过 T g f , 则可从 临时形状回复到初始形状 9。与现有 T i -S M P s 相比 , P

32、TM E G -M D I 具有更低 的 T t r a n s , 可在冰水中固定形变 , 在体温下回复初始 形状而不需要外加热量辅助 , 从 而 可 能 突 破 T t r a n s 过高带来的 应 用 瓶 颈 。 近 来 研 究 发 现 , 水 分 子 对 聚 氨酯的增塑作 用 可 使 聚 氨 酯 的 T g 明 显 降 低 10, 从 而开发出水 /湿敏感的 S M P 。 由于 P TM E G 具有一 定的吸水性 , 推测较低的 T g 可能与吸水后水分子对 P TM E G -M D I 的增塑作用有关 。本实验研 究 结 果 表 明 , P TM E G -M D I 埋 植

33、 于 大 鼠后肢皮下后 , 未引起明显炎症反应 , 不影响造血系 统及肝肾功能 , 观察全程 P TM E G -M D I 周围组织未 发生变性坏死 等 特 异 性 病 理 变 化 , 炎 性 演 变 转 归 与 对照组相比无明显区别 , 说明 P TM E G -M D I 本身没 有在周围引起特异性病理变化 , P TM E G -M D I 具有 良好的生物安 全 性 和 组 织 相 容 性 , 可 作 为 候 选 材 料 应用 于 生物医学领域 , 但其形变特性 、 力学相容性 、 载药功能及药物缓释功能尚有待进一步研究 。参考文献1 Y a k a c h i C M , G a

34、l K. s h a p e -m e m e o r y p o l y m e r s f o r b i o -m e d i c a l a p p l i c a t i o n s J .A d v P o l y m S c i , 2010(226 :147-175.2 L e n d l e i n A , B e h l M , H i e b l B , e t a l . S h a p e -m e m o r y p o l y m e r s a s a t e c h n o l o g y p l a t f o r m f o r b i o m e d i

35、 c a l a p p l i -c a t i o n s J . E x p e r t R e v M e d D e v i c e s , 2010, 7(3 :357-379.3 国家技术监督局 . 中国 G B /T 16886. 6-1997医疗器械 生物学评价 . 第 6部 分 :植 入 后 局 部 反 应 试 验 S . 北 京 , 1997.4 G o r a l t c h o u k A , L a i J , H e r r m a n n R A. S h a p e -m e m o r y s e l f r e t a i n i n g s u t u

36、r e s , m e t h o d s o f m a n u f a c t u r e , a n d m e t h o d s o f u s e P . U S A :U S 2011/0125188A 1, M a y 26, 2011.5 X u e L , D a i S , L i Z .B i o d e g r a d a b l e s h a p e -m e m o r y b l o c k c o -p o l y m e r s f o r f a s t s e l f -e x p a n d a b l e s t e n t s J . B i o m a t e r i a l s , 2010, 31(32 :8 132-8 140.6 S h a n d a s R , Y a k a c k i C M , N a i r D P , e t a l . S h a p e m e m -o r y p o l y m e r -b a s e d t r a n s c e r v i c a l d e