MIT赵选贺教授:超薄、耐用的水凝胶涂层:可同时减轻血栓和感染性并发症

由于人口老龄化以及慢性病发病率较高,心血管设备,如血管内导管在诊断和治疗癌症、终末期肾病、心血管等疾病时是必不可少的。但是使用心血管医疗设备而引起的血栓栓塞和感染性并发症仍然很难避免,迄今为止没有技术可以同时解决以上难题。现有的表面改性方法(如银、肝素和液体浸渍表面)并不能彻底解决问题,且大多数商业化技术都是基于治疗其并发症的仅适用于特定患者群体和短期使用。因此,一种能够让设备导管自身能够抵抗细菌粘附和抗血栓形成的技术亟待开发

MIT赵选贺教授:超薄、耐用的水凝胶涂层:可同时减轻血栓和感染性并发症为解决上述的问题,麻省理工学院赵选贺教授罗切斯特梅奥医学中心C. Nabzdyk教授团队创造性的开发出一种具有良好粘附性、超薄的韧性水凝胶涂层引入到医用级的Tygon(聚氯乙烯)导管表面,通过一系列体外试验,发现水凝胶涂层使得细菌在医用级导管上的附着降低了95%,有效的减弱血液在装置表面的凝结,减少了90%的血液凝结且不会影响血液自身的凝血能力。同时,在猪体内模型表明凝胶层的存在使得医用导管内血液凝结时间增加了60%。这种涂层的优越性使其有望成为与血液连接的医疗器械表面材料。该研究以题为“Ultrathin and Robust Hydrogel Coatings on Cardiovascular Medical Devices to Mitigate Thromboembolic and Infectious Complications”的论文发表在《Advanced Healthcare Materials》上。

【原理及设计】

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图1 水凝胶涂层在医疗器械表面的示意图

导管的抗菌以及抗血栓形成的优异性能主要依赖于水凝胶超薄涂层的存在。导管表面首先在二苯甲酮的乙醇溶液中进行活化,随后加入水凝胶前驱体溶液中,通过紫外光固化在Typon CPB 导管上获得超薄(≈10μm)、均匀的水凝胶涂层

【力学和抗菌性能】

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图2 水凝胶涂层的力学和抗菌性能

对涂层的力学和抗菌性能评估结果表明,涂层在经过多次剪切力作用后,摩擦系数仍保持不变。而且能够在承受类似生理环境流体持续流动12h涂层的厚度、亲水性基本保持不变展现了优异的韧性和结构完整性在没有抗生素的情况下,利用荧光显微镜观察静态和动态两种情况下大肠杆菌分布情况。实验表明涂层能有效防止大肠杆菌的粘附且在导管上的附着降低了95%。

【涂层抗凝血性能】

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图3 体外动态和静态血液测试

为进一步反馈表面的防污特性,利用共聚焦显微镜观察肝素化的人血与导管的相互作用,发现在不同时间点上,在原始底物上形成的纤维蛋白沉淀和网络都明显更多。表明涂层具有良好的抗蛋白粘附效果。同时,利用牛全血来评估设备的生物相容性。在静态条件下,涂层对血栓的形成影响较小。但是在动态环境中,血液在涂层化导管中形成的血栓不会附在管壁上,凝血时间较长且涂层并未引起任何明显的溶血现象。此外,通过对比实验分析血液样本的凝血时间和凝血强度,发现涂层对血液自身的凝血无影响

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图4 体外血液循环测试

模拟临床体外血液循环条件,让血液在封闭装置的导管中持续流动,直到对照组血液在静置下完全凝固。结果显示,涂层的存在减少了导管壁上90%血液凝结。这也证实了在不需要使用抗血栓药物的情况下,水凝胶涂层具有解决血栓引起的并发症的潜力

【体内抗凝血性】

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图5 体内设备栓塞测试

为了验证涂层延缓凝血的效果,在巴马猪髂动脉上进行了体内实验。多普勒超声和超声成像结果表明涂层化硅橡胶导管中血液凝块与导管壁的粘附减弱,让设备的凝结阻塞时间提高了60%左右。证实了医疗导管中引入超薄水凝胶涂层也可以延缓血液凝块的形成和粘附。

总结:将水凝胶涂层应用到医疗导管中,不仅可以延缓血液凝块在导管表面的形成和粘附,且表现出良好的抑菌效果,能够有效降低因使用血液接触型医疗设备引起的血栓栓塞和感染性并发症发生的风险。该水凝胶涂层具有优异的机械性能和良好的生物相容性,是一种非常有前景的医用表面材料,尤其是在与血液连接的医疗器械应用领域。

原文链接:

https://doi.org/10.1002/adhm.202001116

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