劉富團隊:在自抗凝透析器領域取得系列進展

根據《柳葉刀》最新公佈的報告“1990-2017年全球、區域和國傢慢性腎臟病負擔:2017年全球疾病負擔研究的系統分析”指出,截至2017年,全球慢性腎臟病患者人數達6.975億,其中中國腎病人數達1.323億,患病率高達10%。中國在2014年的終末期腎臟病人(ESRD)患者接近200萬人,按照美國腎臟病數據系統統計數據中慢性腎病最後發展為ESRD的比例1.5%進行推算,到2030年將達到315萬人這一驚人的數字。ESRD患者需要終身進行透析以維持正常的生活需求,但是受各種因素的影響,中國ESRD患者接受血液透析治療的比例僅為15%左右,遠低於全球治療率37%。隨著醫保覆蓋率以及儀器普及率的提高,中國血透治療的患者數量持續增長,成為極具潛力的藍海市場,有望達到千億規模。目前,國內高端血液透析器市場主要被德國費森尤斯、美國金寶、日本尼普洛等占據。高端血液透析器在醫療器械領域屬於“卡脖子”的材料與技術,研發具有自主知識產權以及市場競爭力的血液透析器具有重要的民生和社會意義。

市場上主流的血液透析膜種類有聚砜膜PS(費森尤斯、貝朗、東麗、貝爾克、威高)、聚醚砜膜PES(歐賽、佩尼、尼普洛、貝爾克)、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA(東麗)。但是,高分子材料血液相容性較差,在與血液接觸時極易觸發凝血瀑佈導致血栓在透析膜表面形成,進而導致膜孔堵塞、膜通量大幅度衰減、毒素清除率降低;並且也會引發體內補體活化,使血液透析膜受到人體免疫系統的攻擊。在臨床應用中,通常需要註射肝素(未分級肝素或者低分子量肝素)以抑制透析器內血栓的形成。但是肝素的代謝困難,這對於一些出現出血癥狀的病人是不適用的,並且長期註射肝素還會導致血小板減少癥、高鉀血癥、骨質疏松等。因此提高透析膜材料的血液相容性,研制自抗凝透析器,實現無肝素透析是目前血液透析的發展趨勢。

中國科學院寧波材料技術與工程研究所劉富研究員團隊自2014年就開始進行透析膜方面的系統研究,已經通過膜表面多巴胺固定肝素(Journal of Membrane Science 2014, 452, 390-399)、膜表面兩性離子化(Journal of Membrane Science 2015, 475, 469-479)、表面親水化(ACS Biomaterials Science & Engineering, 2016, 2 (12), 2207-2216)、膜表面水蛭素修飾(Journal of Membrane Science 2017, 523, 505-514)等方式改善材料的血液相容性,揭示瞭膜表面抗蛋白吸附和類肝素抗凝分子抑制凝血瀑佈效應的機理,如圖1所示。在此基礎上,發展瞭系列抗凝塗層策略,在國內外率先實現瞭自抗凝透析器的制備,對於體外循環血液接觸材料(如人工腎、人工肺ECMO及管路等)的血液相容性塗層的設計與制備具有重要意義。

劉富團隊:在自抗凝透析器領域取得系列進展
圖1 體外循環中空纖維膜內壁凝血/抗凝機制示意圖

1)界面溶脹交聯制備自抗凝透析器:中空纖維透析器由1萬根中空纖維膜封裝組成,膜絲的內徑通常小於200 μm,在微米級的限域通道內實現親水和抗凝分子的修飾具有非常大的挑戰性。目前的許多研究工作通過物理共混或者化學接枝的方式實現材料抗凝性能的提高,但是改性物質與基體材料相容性的差異以及改性步驟的復雜性和不可控性,使得這些研究工作限制在平板膜上開展。針對該問題,研究團隊發展瞭一種基於微孔膜的Top-down遷移及界面交聯功能化策略(Journal of Membrane Science 2016, 520, 769-778,Journal of Membrane Science 2016, 513, 166-176),實現瞭抗凝分子在微孔膜表面的修飾,進一步地通過可控聚合技術合成瞭具有親水基團(乙烯基吡咯烷酮)和抗凝基團(磺酸基團和羧酸基團)、具有序列排列結構的共聚物,通過微流控技術實現抗凝聚合物在透析器限域通道內的均勻分佈,及界面交聯固定,最終通過親水基團的抗蛋白吸附以及磺酸羧酸基團的抗凝機理協同提高透析器的血液相容性。相關工作發表在Journal of Membrane Science 2018, 563, 115-125。

2)基於疏水相互作用制備自抗凝透析器:血液透析器中數量之多直徑之細的中空纖維膜,使得殘留的有機溶劑以及未反應的小分子單體很難清洗幹凈。因此,為瞭減少改性過程中的有機溶劑或化學分子殘留,使用綠色環保溶劑以及減少改性過程中化學單體的使用量是極為有效的解決方式。常見的血液透析器多為高分子材質(如聚砜),其疏水特性很容易吸附血液中的蛋白質從而引發凝血瀑佈產生血栓。研究團隊通過自由基聚合的方式合成瞭一種兩親性聚合物聚(甲基丙烯酸月桂酯-對苯乙烯磺酸鈉-丙烯酸)(P(LMA-SSNa-AA)),帶有長烷基疏水側鏈。兩親性聚合物可很好地分散於N,N-二甲基甲酰胺(DMF)/水(1:9,V)混合溶劑中,采用限域流控技術實現改性溶液在血液透析器內部循環,利用膜材料疏水吸附特性將類肝素改性物質均勻吸附在透析膜內表面。這種改性方式操作簡單,改性體系組成簡易,減少瞭有機溶劑參與,同時實現瞭透析器血液相容性的改善,對於後續的工業化生產和實際應用具有重要意義。相關工作發表於Journal of Membrane Science,2020, 595, 117593。

3)界面植入凝膠制備自抗凝透析器:為瞭實現改性過程無溶劑、綠色化,同時增強改性塗層與膜基體的結合力,防止改性塗層的脫落,研究團隊將抗凝凝膠皮層通過界面植入的方式均勻地固定在中空纖維限域通道內,如圖2所示。整個改性過程基於水體系,完全避免瞭透析器在清洗過程中的有機溶劑殘留。基於對血液凝血級聯反應的進一步理解,研究團隊將海藻酸鈉和丙烯酸合成瞭一種富含羧酸鹽的改性聚合物,其抗凝機理不同於類肝素物質,對於膜材料表面的親水性提高顯著,並且能夠螯合血液中的鈣離子以阻斷凝血瀑佈。不僅能夠提高透析膜的抗凝性能,對於抑制補體活性,防止免疫系統的激活同樣具有十分優異的表現。偶氮二異丁腈(AIBN)為羧酸聚合物與基體材料的結合提供瞭連接點,通過控制AIBN的分佈和植入量實現羧酸凝膠皮層的可控分佈和厚度可控。該項工作已發表於Journal of Membrane Science, 2020, 604, 118082.。

劉富團隊:在自抗凝透析器領域取得系列進展
圖2 通過界面植入凝膠方式制備自抗凝透析器

4)腎衰動物模型透析實驗:在團隊之前的工作中,已使用活化部分凝血酶時間(APTT)和凝血酶時間(TT)對改性透析器的抗凝時間做瞭相關測試。基於羧酸根和磺酸根的類肝素改性透析器的APTT>600s,基於羧酸根改性的透析器的APTT>360s;TT的時長相對於血漿也延長瞭數倍,證明改性之後的透析器均具有優異的抗凝特性。同時,使用酶聯免疫吸附法表征瞭自抗凝透析器具有低的補體活性(C3a和C5a),基於實驗室條件的限制,團隊使用血漿和全血證明瞭改性透析器具有優異的血液相容性。為瞭進一步證明自抗凝透析器在臨床具有實際應用價值,團隊采用瞭由浙江中醫藥大學附屬醫院提供的腎臟衰竭的豬模型(尿素氮(BUN>6mmol/L)分別對上述的改性透析器進行時長為1h的少/無肝素透析實驗,如圖3所示,對透析過後的血液中的尿毒、肌酐、無機磷和β2-微球蛋白等小中分子毒素的含量進行測量,進行毒素清除率的計算。通過動物透析實驗表征,三種改性透析器在減少肝素註射量或者不註射肝素的情況下都順利完成瞭透析過程,與未改性透析器相比,改性透析器的外表面“掛血”現象得到瞭明顯改善,並且中空纖維內表面殘留的蛋白質和血栓數量也有顯著減少,如圖4所示。由於改性透析器親水性的提高,三種改性透析器對於小中分子毒素的清除率得到瞭明顯提高。關於三種改性透析器的性能對比和差異數據已經發表於《膜科學與技術》,2020, 40(1):84-92。

劉富團隊:在自抗凝透析器領域取得系列進展
圖3 動物透析實驗流程示意圖
劉富團隊:在自抗凝透析器領域取得系列進展
圖4 動物透析實驗結束後三種改性透析器與未改性透析器的外表面掛血現象以及內表面血栓粘附對比

上述研究得到國傢自然科學基金(51973230)、浙江省傑出青年科學基金(LR20E030002)、浙江省高層次人才青年拔尖(ZJWR0108020)、中國科學院青年創新促進會優秀會員(Y201848)、寧波科學技術局(2017C110034,2014B81004)的資助支持。

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