血液相容性的研究进展

血液相容性的研究进展

随着科学技术的快速发展，生物材料已成为临床诊断和治疗疾病的重要设备。人体器官中除了人脑及大多数的内分泌器官外,基本都有代用的人工器官。其中与血液循环系统直接相关的人工器官如人工心脏、人工肾、人工血管等均要求具有良好的血液相溶性。因此,近年来血液相容性成为生物医学工程界的一个研究热点。本文对血液相容性的整体概念、研究方法、血栓与凝血发生机制及提高血液相容性的手段等几方面的研究状况做概要综述。1血液视角的血液相似性研究血液在人的全身循环流动,将氧及各种营养物质输送到各部位,同时将新陈代谢产生的二氧化碳及其它废物运送到肺、肾等器官排出体外。此外,血液还起着调节内分泌、保护机体及维持内环境相对恒定等功能。当生物材料作为异体组织植入到体内与血液接受后会发生相互作用(BloodMaterialInteraction,BMI),对人体及材料产生各种影响,表述这种相互间的作用就是提出“血液相容性(BloodComatibility)”这一概念的初衷。迄今为止,虽然研究者们对血液相容性的认识已有了很大的提高,但对这一概念的定义及其研究方法仍存在着争议。早期对血液相容性的认识仅局限于血液与界面间的反应,人们只是赋予血液相容性一些规范,如材料的抗血栓能力,对红细胞的破坏程度(溶血性),血小板机能降低情况,白细胞是否减少及对人体血液中存在的蛋白质和各种酶活性的影响。后来人们又提高了血液相容性的整体概念,即除了注重材料与界面相互作用外,还注意到人体对材料的免疫防御作用、局部反应引起的全身反应及局部反应和全身反应的时间顺序。现已认识到,血液相容性包括相当广泛的内容,它既有与材料接触后血小板血栓形成(血小板粘附、聚集、变形)、溶血、白细胞减少等细胞水平的反应;又有凝血系统、纤溶系统激活等血浆蛋白水平反应;还有免疫成份改变、血小板受体、ADP(二磷酸腺苷)、前列环素释放等分子水平的反应。可见血液相容性涉及的因素非常多,其机理的研究及性能的表征也异常复杂,单一孤立的参数并不能说明某种材料的血液相容性的优劣。研究血液相容性时,实验条件的不同也会得出不同的结论,因此应在接近材料实际的使用环境下用综合的指标来表征某种材料的血溶相容性。2半体内试验法生物材料血液相容性的研究方法已形成了一个较为完整的体系,根据测试环境的不同通常可分为三大类,即体内法(Invivo)、半体内法(Exvivo)及体外法(Invitro),此外对材料的表面特性进行表征也是血液相容性研究的一个重要方面。表1列出了这几种方法的试验方法及测试目的。三种方法各有其优势和不足,其中体外法具有方便、快捷、敏感的特点,且试验费用远低于体内试验,较为经济,但体外法易受环境的影响,由于测试环境与体内环境有较大差距,因此测试结果的准确性较差,往往用于新材料的初筛。体内法使材料处于真实的生理环境,其测试结果可信度高,但试验周期较长,手术复杂,费用高昂,而且,由于试验动物种系不同及个体差异,试验结果也常出现矛盾。半体内试验法则兼顾了体外法的方便快捷及体内法的较为接近真实环境的优点,因此被许多研究者采用。1985年“血液-材料相互作用的NHLBI指南”中推荐将材料表面粘附的血小板的密度、形态及数量等作为评价材料血液相容性的指标。之后人们发展了各种方法来研究以血小板为指标的评价方法。通过采用同位素标记法来测定血小板粘附数量,同位素由原来常用的51Cr、125Ⅰ转变为不会影响血小板活性的111In,但In的获取有一定困难。后来人们又采用抗血小板及抗各类蛋白的单克降抗体测定生物材料上血小板的沉积,这种方法可以定量评价以往只能定性评价的生物材料并进行材料粘附血液成份的机理研究。国内的周成飞尝试用模糊数学中的综合评判方法,以血小板粘附试验为基础,建立了各评价指标的隶属函数及其加权方法,并用该方法评价了三种聚氨酯材料的血小板粘附性能,其结果与长期集累的血液相容性实验的评价结果相吻合。奚廷斐等人提出由四个体外和半体内试验综合评价生物材料血液相容性,研究结果表明该四参数评价体系可较真实地评价血液的急性反应,并可对生物材料的血液相容性进行粗筛。近年来,血液相容性的评价体系进一步拓宽到材料的表面理化特性、蛋白吸附、白细胞红细胞的变化及内源性凝因系统的接触活化等诸多方面。其中对于蛋白质的吸附研究较多,研究对象也不再只局限于三大蛋白质种类,而是对蛋白质整体特性及吸附机制进行研究。此外,还可以从血液流变学及血液阻抗值变化等角度对材料的血液相容性予以评价。3凝血过程的生物计算和生物在血液与材料发生的各种反应中,可以说血液凝固和血栓形成是最敏感最复杂的。到目前为止,对其形成机制的研究仍存在一些尚未完全弄清的问题。通常,血液发生凝固的途径有两种,即内源性凝血和外源性凝血。内源性凝血是指存在于血液中的凝血因子与受损的血管表现接触后,在血小板因子与Ca2+的作用下生成血浆凝血酶原激活物从而造成凝血酶活化引起的凝血。外源性凝血是由受损组织产生的组织因子在凝血因子和Ca2+的作用下生成组织凝血酶原激活物从而造成凝血的过程。凝血酶原激活物形成后,在Ca2+的作用下激活血浆中存在的凝血酶,凝血酶又与Ca2+作用,将血浆中溶解状态的纤维蛋白原转变成为不溶性的纤维蛋白,进而网罗血细胞形成血块。生物材料植入体内与血液接触发生的凝血以内源性凝血为主。首先,各种蛋白质及脂类物在材料表面发生吸附,形成复杂的吸附层,同时血小板受到凝血酶、胶原、免疫复合物、ADP等的激活,产生形成复合体的倾向。如果材料表面吸附的是纤维蛋白原和球蛋白,则易于使血小板粘附在材料表面,发生形变,生出伪足,在凝聚的同时释放出大量物质,进一步诱发血栓形成;如吸附的是白蛋白,则不易发生血小板的粘附,抵制凝血的发生。与此同时,还存在补体系统的变化。近年来许多研究者从不同角度对上述过程进行了研究,发现血液能够在血管内循环流动不产生血栓,其中血管内皮细胞及其合成物质除了起着很重要的调节作用外,还可通过释放纤溶酶原激活因子来拮抗凝血酶的凝血活性。张京川等研究了剪切力连续变化对血小板的影响,发现材料表面血小板的沉积粘附是一个动态过程,在不同的剪切力范围表现出不同的规律。Rhodes等利用聚氯乙烯建立的半体内模型试验也得出了类似的规律。喻凯等研究人体硬组织替代材料对白球蛋白、纤维蛋白原三种血浆蛋白的吸附情况,发现材料吸附蛋白的多少是由材料的性质和蛋白质的种类决定的,并具有一定的规律性。对于血小板的粘附和激活过程也作了大量的研究,发现血小板的激活是涉及受体、Ca2+和血小板骨架重组而实现的。4改善材料表面的负电提高材料表面的血液相容性,研制抗凝血性生物材料是生物医学工程的前沿课题。目前主要是通过对材料进行表面改性来提高材料的血液相容性。首先是利用各种物理及化学的方法对材料的表面进行处理:①提高表面的亲水性,降低表面自由能。表面的亲水性及自由能对血液成分的吸附、变性等有密切联系。提高材料表面亲水性,使表面自由能降低到接近血管内膜的表面自由能值可取得抗血栓性能。这可以通过在材料表面接枝亲水性强的化合物如聚环氧乙烷(PEO)等来实现。②使表面带负电荷。正常人体血管壁内皮细胞的ξ电位值为-8～13mV,血液中的红细胞、白细胞及血小板等均带负电荷,因此不易发生粘附。高分子材料表面电荷的正负由其功能团类型决定,利用这一点,可以进行特定的设计使材料表面带上负电,从而减少血栓的形成。③设计微相分离结构。如果材料的微观界面上存在化学及物理性能的不同,如亲水性/疏水性,正负电荷,结晶态/非结晶态等,则可获得良好的血液相溶性。例如,材料大分子链上含有聚集态的亲水链和疏水链时,可以降低血浆纤维蛋白的吸附,提高材料表面的抗血栓性能。④表面粗糙度的影响。材料表面越粗糙,暴露在血液上的面积越大,凝血的可能性也就越大,但如果在0.1～2μm的范围内存在不均匀结构则也是微相分离结构的一种,可提高材料的抗凝血性能。其次是对材料表面进行伪饰,如血管内皮化、白蛋白钝化及磷脂样表面等。血管内皮细胞对于抗凝血起了很重要的作用,可以认为是一种完美的血液相溶性的表面,因此研究者在人工血管表面覆盖内皮细胞来改善其血液相容性,但也存在如何使细胞长久生长和正常分化的问题。由于材料对白蛋白吸附后不易粘附血小板,则可在表现覆盖一层白蛋白来对材料进行伪饰,称为白蛋白钝化。此外还可以在人工表面引入磷酯酰胆碱为极性头端来模拟红细胞膜的血液相容性。近来在聚合物表面引入生物活性物质的方法有了很大的发展,主要以肝素为主。肝素是一种天然的凝血抑制剂,如果材料在使用过程中不断释放这种物质可提高组织相容性,防止局部血栓形成,达到抗凝血效果。Wendel等人的研究表明,使用肝素涂抹管道能减少Ⅶ。因子的激活从而抑制凝血的发生。有研究认为它的抗凝血活性与肝素分子链上的带负荷电的磺酸基及羧基有关。肝素的涂抹方式主要有离子结合方式、共价键结合方式及混合方式,其中共价键结合的材料性能更优越一些。除了对材料进行表面处理外,人们还研究各种复合材料。例如,将血液相容性较优的陶瓷材料与机械性能好的金属进行复合,或将设计好的高分子有机物涂覆在金属材料表面,从而全面提高材料性能。5新材料虽然各国的研究者们对生物材