自抗凝透视和分析器让血更十足,科钦材料所在生物基聚合物微孔膜制备及改性商讨中获取进展

传统石油基聚合物膜材料在其服役周期完成后,既难再生、回收又难降解处理,从而造成环境污染压力。生物基聚合物微孔膜有望解决这一问题,在一次性水深度过滤膜、血液净化及污水处理兼碳源缓释膜方面具有应用前景。中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员刘富带领的液体分离与净化团队近年来系统开展了生物基聚合物微孔膜的可控合成制备及应用研究。在聚乳酸微孔膜的结构控制及制备方面,已经制备了梯度结构的微孔膜(Journal
of Membrane Science
2015, 478,
96-104),及表面肝素化/类肝素化改性微孔膜。如通过多巴胺固定肝素(Journal
of Membrane Science
2014, 452, 390-399)、表面APTES固定肝素(RSC
Advances,
2016, 6,
42684-42692)改善其表面相容性,通过表面两性离子化(Journal of Membrane
Science
2015, 475, 469-479)、表面PEG化(RSC Advances 2015, 5,
107949-107956, ACS Applied Materials & Interfaces 2015, 7,
17748-17755)改善聚乳酸微孔膜的亲水及血液相容性。

我国慢性肾病患者高达1.2亿人,已发展成终末期肾病患者有200万,目前仅有30多万人接受透析治疗,治疗率仅为15%,远低于欧美国家的90%。中国血液透析市场主要由德国费森尤斯、日本尼普洛等占据,血液透析行业的市值约为1000亿-1400亿人民币,是中国最具潜力的蓝海市场之一。血液透析符合《“健康中国2030”规划纲要》等国家政策,具有制备技术壁垒高、多学科交叉等特点。血液透析器是人工肾系统的核心元件。尿毒症患者需要终生透析,随着我国进入老龄化社会,以及城乡居民大病保险试点政策的启动推广,我国对血液透析器的需求将出现井喷式增长。因此研发具有自主知识产权的高性能透析膜/器具有重要的民生和社会意义。

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聚乳酸特别是薄壁(如透析膜壁厚40微米)中空纤维膜对耐热具有更高要求,然后在快速溶液相转化过程中,难以实现结晶度提高。针对此问题,研究人员发展了一种界面交联诱导结晶技术解决了聚乳酸微孔膜的结晶及耐热瓶颈问题。具体在聚乳酸微孔膜表面通过基于硅烷偶联剂的嵌段共聚物PVP-VTES预聚物的界面交联聚合,诱导聚乳酸发生结晶,结晶度可提高到35%,从而将耐热温度提高到100度,大大提高其尺寸及微结构稳定性,解决了其干燥及灭菌问题,界面诱导机理及耐热结果如图2所示。相关工作发表于RSC
Advances
(2016, 6,
20492-20499)。为了进一步调控聚乳酸微孔膜的表面微孔结构,提高其表面微孔分布均一性及尺寸,课题组通过β环糊精生物基致孔剂结合界面交联,制备了具有超亲水特性的聚乳酸超微滤膜,表面微孔成均匀圆形分布,相关工作发表在《膜科学杂志》(Journal
of Membrane Science
2016, 513,
166-176)上。界面交联可以在预聚物合成时引入具有反应性的环氧官能团如GMA,从而将三组分共聚物通过硅化学的界面吸附溶胀交联固定在膜表面,进一步通过共价键合将肝素负载在膜表面,从而同步提高了膜的亲水性、耐热性以及血液相容性,表面肝素化是提高血液相容性的主要因素。该工作发表在美国化学学会《生物材料科学与工程》(ACS
biomaterials science &
engineering,
DOI:10.1021/acsbiomaterials.6b00413),如图1所示。除了表面肝素化相容性改善,研究人员制备了一种天然生物分子水蛭素,并通过氢键结合方式将其固定在经过界面交联改性的聚乳酸微孔膜表面,从而不改变水蛭素分子的抗凝活性,通过系统的凝血四项(APTT、PT、TT、FIB)、血小板黏附以及补体激活特性综合分析,提高了聚乳酸微孔膜的血液相容性,具有良好的透析性能,模拟透析实验(模拟血液和透析液的流量分别设定为100
mL/min、300 mL/min)表明其对小分子(尿素,79 mL/min;肌酐,74
mL/min)以及中分子(溶菌酶,34
mL/min)有害物质具有相对较高的清除率。相关工作发表在《膜科学杂志》(Journal
of Membrane Science
)上,如图2和3所示。

常用的血液透析聚合物膜,由于血液相容性较差,在与血液接触时,会引发血小板的粘附、聚集和释放反应,导致凝血机制异常造成凝血及血栓等临床反应。而目前临床上常用的抗凝手段主要是直接注射抗凝剂(如未分级肝素及低分子量肝素),起到抗凝血、抗血栓等多种功用。然而大量肝素的使用往往会加大患者的出血风险。并且肝素长期依赖也会导致血小板减少症、皮肤反应、血浆脂解活性的抑制、嗜酸粒细胞增多、高钾血症、骨质疏松等副作用。因此如何发展自抗凝透析器,实现无肝素透析是目前血液透析的发展趋势。

自抗凝透析器及膜表面抗血小板吸附

以上工作得到了中科院青年创新促进会和国家自然科学基金(51473177,51273211)的大力支持。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所先进功能膜团队于2014年开始进行透析膜方面的研究,并于近期取得了系列进展。

肝脏和肾脏被誉为人体内两大污物处理工厂,负责清除人体运行产生的或外来毒素。如果肾脏发生病变,无法将毒素排出体外,就会引发尿毒症。

文章链接

1)膜微孔结构调控:发展了一种生物相容性良好的聚乳酸血液透析膜,并系统探索了聚乳酸膜的相转化结构调控机理。可实现海绵状孔/指状孔等梯度结构有效调控(Journal
of Membrane Science
2015, 478,
96-104),并且针对聚乳酸微孔膜结晶度低和耐热性差的问题,发展了界面交联诱导结晶的方法,提高了微孔膜的结晶度及耐热温度(Journal
of Membrane Science
2016, 513, 166-176,ACS Biomaterials Science &
Engineering
2016,2, 2207–2216)。

而透析器又称“人工肾”,是帮助肾病患者完成血液透析的核心部件。透析时产生的凝血反应是长期困扰患者和医生的难题:如果透析过程中不注射肝素,就会发生严重的凝血反应,而注射了肝素则会加剧出血风险。

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2)膜表面抗凝分子修饰:通过膜表面多巴胺固定肝素(Journal of Membrane
Science
2014, 452, 390-399)、膜表面两性离子化(Journal of Membrane
Science
2015, 475, 469-479)、表面PEG化(ACS Applied Materials &
Interfaces
2015, 7, 17748-17755)、膜表面水蛭素修饰(Journal of
Membrane Science
2017, 523,
505-514)改善聚乳酸微孔膜的亲水性及血液相容性,揭示了膜表面亲水抗蛋白吸附和类肝素抗凝分子抑制凝血瀑布效应的机理。

中科院宁波材料技术与工程研究所研究员刘富团队日前在自抗凝透析器研究方面取得系列进展,相关论文Preparation
and evaluation of a self-anticlotting dialyzer via an interface
crosslinking approach发表在膜领域国际权威期刊Journal of Membrane
Science上。

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3)自抗凝透析器:中空纤维透析器内含超过1万根中空纤维膜,其内径通常小于200微米,在微米级的限域通道内实现亲水和抗凝分子的修饰具有非常大的挑战性。目前临床用的聚砜和聚醚砜类透析器通常采用在相转化过程中共混高分子量聚乙烯吡络烷酮实现其亲水抗凝修饰,但是PVP与聚砜或聚醚砜存在相容性差异,通常易在膜表面析出形成“布丁”粒子,在透析过程中形成挂血点,并容易进入血液当中。针对该问题,研究团队发展了一种基于微孔膜的Top-down迁移及界面交联功能化策略(Journal
of Membrane Science
2016, 520, 769-778,Journal of Membrane Science
2016, 513,
166-176),实现了抗凝分子在微孔膜表面的修饰,进一步通过可控聚合技术合成了具有亲水基团和抗凝基团(磺酸基团和羧酸基团)、具有序列排列结构的共聚物,通过微流控技术实现抗凝聚合物在透析器限域通道内的均匀分布,及界面交联固定,最终通过亲水基团的抗蛋白吸附以及磺酸羧酸基团的抗凝机理协同提高透析器的血液相容性,如图1-3所示,实现了整支透析器的自抗凝修饰,模拟透析实验表明自抗凝透析器具有良好的中小分子清除性能,具有潜在的临床应用前景。上述工作作为邀请论文发表于Journal
of Membrane Science
2018, 563, 115-125。

精准分离中小分子废物

图1 界面交联诱导聚乳酸微孔膜结晶及肝素化机理

上述研究得到国家自然科学基金、中科院青年创新促进会、宁波市生命健康重大项目(2017C110034)的资助支持。

资料显示,中国慢性肾病患者高达1.2亿人,已发展成终末期肾病患者数量为200万;但目前仅有30多万人接受透析治疗,治疗率仅为15%,远低于欧美国家的90%。

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治疗尿毒症的主要方式目前有血液净化与肾脏移植两种。由于肾源急缺,中国尿毒症患者的肾脏移植率不足1%,而且肾源急缺的难题难以在短期内解决,因此血液净化成了治疗尿毒症的主要手段。

图2 氢键结合水蛭素聚乳酸微孔膜的凝血四项性能

图1 自抗凝透析器及膜表面抗血小板吸附

透析器通过一定的过滤作用进行血液净化,替代或者部分替代肾脏功能。刘富在接受《中国科学报》记者采访时介绍说,透析器由1万根以上的中空纤维膜组成,有效过滤面积为1到2平方米,接近于人体肾脏血管总滤过面积。其中每根中空纤维膜的内径为180~200微米,壁厚为30~50微米,从内壁到外壁分布有纳米到微米级的微孔,从而起到过滤作用——即清除血液中的中小分子毒素和多余的水分,而保留血液中的大分子物质及血细胞等。

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正常工作的肾脏主要功能之一是排出人体代谢产物中小分子物质,比如相对分子量尿素60、肌酐113、尿酸168,以及中分子物质,比如相对分子量菊粉5200、β2-微球蛋白11800等;同时需要保留人体中的大分子蛋白等有益物质。

图3 水蛭素结合聚乳酸微孔膜模拟透析性能

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自抗凝透析膜表面凝血四项指标:APTT(活化部分凝血活酶时间),PT,TT和FIB,其中APTT超过600s,表现出高抗凝特性

“这主要依靠肾脏中肾小球的过滤作用实现。”刘富介绍说,“透析器中则主要通过膜微孔结构调控来清除中小分子,但是目前的聚合物中空纤维膜对中分子的清除效率不高,难以与人体肾脏精准的分离相比。”

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为解决这一问题,该团队通过热力学耦合动力学梯度调控技术,将聚合物微孔膜的孔径控制在2~4纳米,从而实现中小分子的精准分离。

图3 自抗凝透析膜内外表面形貌

探索无肝素透析

谈到自己最初对透析膜研究产生兴趣的原因,刘富回忆说,这要追溯到16年前的2002年,当时他正在浙江大学攻读博士。

“导师徐又一教授是国内最早研究聚丙烯膜人工肺的专家,在一次谈话中得知徐老师的父亲在医院接受血液透析,面临着是否注射肝素的难题。”刘富解释说,“如果透析过程中不注射肝素,就会发生严重的凝血反应,而注射了肝素则会加剧出血风险。当时,徐老师就意识到血液透析膜生物相容性的重要性,但国内的研究条件还不具备。”

刘富心里一直暗暗记着这个课题,想以后有机会一定好好研究一下。结束了在英国伦敦帝国理工学院的博士后研究后,刘富回到中国科学院宁波材料所工作,2014年开始将自己在聚合物微孔膜方向的研究从水处理领域延伸到血液净化领域。

作为体外血液循环接触材料,透析膜与血液接触时容易发生特异性或非特异性相互反应,也就是血液相容性。通常血、膜接触后容易发生凝血异常、血小板黏附和活化等,也就是俗称的血栓现象。

“因此需要对膜的表面进行抗凝修饰,前期的研究中,我们主要通过膜表面PEG化、两性离子化、肝素化以及类肝素化修饰,探索了聚合物微孔膜表面的抗凝机制,为自抗凝透析器的研制奠定了基础。”刘富表示。

这其中最难突破的关键技术,是如何在一万根以上内径不到200微米的中空纤维膜狭小局限空间的内壁上实现抗凝修饰。据介绍,目前常用的共混技术,无法达到自抗凝的效果,且存在共混分子的迁移风险。而常规的表面接枝技术无法实现狭小内孔的修饰。

“通过界面交联及流控技术,我们尝试首先将改性溶液在透析器中进行内循环,通过微溶胀、吸附及交联过程将具有序列分布的抗凝分子修饰在膜内壁,从而实现了自抗凝透析器的制备。”这一想法诞生在2015年,最终团队花费了近4年的时间将其实现。

新型自抗凝透析器

自从意识到血液透析膜属于典型的“卡脖子”技术之后,刘富团队加强了对血液透析膜从基础研究、关键技术到产业的全链条研究。2012年,他们在国内首次提出了生物基聚合物微孔膜用于血液透析的概念;2016年首次通过界面交联技术对聚合物微孔膜进行表面亲水及抗凝修饰,搞清了聚合物膜的抗凝机制;2018年将该技术首次在临床用的透析器上获得了突破,进一步结合流控技术实现了整支透析器的抗凝修饰,为下一步的无肝素透析临床应用奠定了基础。

所谓自抗凝透析器,指的是自身具有抗凝特性的透析器,主要是在聚合物,比如聚砜或聚醚砜中空纤维膜的内壁上,通过流控技术修饰了抗凝分子基团,包括乙烯基吡络烷酮、磺酸基团和羧酸基团。而常用的聚砜或聚醚砜中空纤维膜透析器,由于仅共混添加了一种亲水分子聚乙烯基吡络烷酮,血液相容性差,在透析过程中仍需注射肝素,而长期肝素使用,又会诱导血小板减少症等,并且共混分子存在迁移到血液内的风险。

自抗凝透析器因为通过界面交联的技术在膜表面修饰了具有基团序列分布的抗凝分子,一方面可以改善现有透析器的血液相容性,比如活化部分凝血活酶时间APTT提高10倍以上,减少肝素依赖症;另一方面也可以避免外界分子向体内迁移的风险,对于真正实现临床意义的无肝素透析,具有重要应用价值。

目前,刘富正在积极与医院和企业间进行协同合作研究,希望能早日将自抗凝透析器推向临床应用。“未来,希望在人工肝、人工肺等人工脏器方向,以及污水净化、油水分离和海水淡化等方向进行研究。”