文摘

聚氨酯(脓)是目前被认为是生物相容性材料,但受限于低抗血栓。因此,我们设计一个类肝素聚氨酯(HLPU)修改polyethersulfone (PES)膜接近集成防污和抗血栓形成的生物灵感的肝素结构属性。聚(乙烯基吡咯烷酮)-HLPU (PVP-HLPU)是合成通过可逆加成断裂链转移聚合的副总裁使用聚氨酯作为macroinitiator然后磺化集中H2所以4。红外光谱和核磁共振结果显示PVP-HLPU的成功合成。PVP-HLPU合并,PES的横断面结构复合膜从卫星传回的结构改变导致海绵样的结构可调的渗透率。亲水性的增加验证通过水接触角渗透率和防污特性中受益。因此,复合膜表现出良好的血液相容性,包括减少蛋白质吸附,抑制血小板粘附,降低thrombin-antithrombin第三代,降低补体的激活,和延长凝血时间。有趣的是,PVP-capped HLPU polyethyleneglycol-capped相比显示出更好的血液相容性和柠檬acid-capped HLPUs。结果表明增强防污和血栓栓塞形成后症状(PES)的属性介绍血液透析膜的功能性HLPUs。此外,该方法可以通过bioinspired hemocompatible膜表面的制造设计。

1。介绍

聚氨酯(脓)目前面临越来越多的应用在生物医学领域如骨再生(1),近红外成像(2,形状记忆3),抗炎平台(4癌症基因治疗(),5),对照药(6),组织工程(7),和神经系统修复(8),因为他们的主要优势灵活的化学结构。简单的化学计量学和/或改变单体合成中脓可以产生各种材料从弹性热塑性聚合物刚性热固性的(9]。除了这些,下垂的PU组的简单修改可能导致广泛的属性从去除毒素胆红素抗菌特性(10]。然而,限制低抗血栓仍与这些生物材料,限制他们使用blood-contacting材料。

肝素是一种高度酸性,阴离子和分散线性多糖(11]。高度负带电的轴承组(硫酸酯和羧酸盐组)和可接受的亲水结构促进其抗凝产权,导致在临床实践中广泛使用。因此,许多方法已经开发出来准备heparin-immobilized脓对改善生物相容性和潜在的生物医学应用抗凝活性(12),增强antiadhesive和抗菌特性13),抑制蛋白质和血小板粘附[14),增强肝细胞移植的可行性和诱导血管生成15),等等。在早期的研究中,blood-contacting PU膜由或者沉浸PU电影在人类血清白蛋白和肝素的解决方案(16]。然而,身体肝素涂抹脓与离子不稳定的人血清白蛋白(HSA)之间的相互作用和肝素。此后,肝素的研究方向转向共价固定到脓。棕褐色等人肝素共价链接到聚氨酯表面的氨基之间的反应pregrafted表面和肝素的羧基,大大改善了材料的亲水性和不够(12]。然而,制造类肝素结构聚氨酯聚合物链很少是有针对性的。这里,我们的目标是设计新型类肝素聚氨酯(HLPU)修改polyethersulfone (PES)膜通过一个简单的混合方法,这可能是用于制造空心透析膜。

PES已经成为广泛使用的聚合物,由于其良好的氧化、热水解稳定性、良好的机械和成膜性能(17,18]。然而,PES的抗凝和防污性能并不理想。因此,我们最近的研究集中在由HLPUs PES透析膜的功能化。包含的类肝素聚氨酯-3H,羧基,-哦组,伪造修改anticoagulate属性PES膜的混合方法(19]。为了赋予PES膜与抗凝和防污性能,在此,采用聚(乙烯基吡咯烷酮(PVP)作为HLPU节流团体。结果PVP-HLPU与PES混合。水接触角,防污性能,本文进行了膜。此外,节流的效果组改性PES膜的性质进行了研究。

2。实验

2.1。材料

Polyethersulfone (PES Ultrason E6020P)从巴斯夫化学公司购买(德国)。N-Vinyl-pyrrolidone(副总裁;从阿尔法蛇丘99%)购买。Diphenyl-methane-diisocyanate (MDI;98%)和dimethylolpropionic酸(DMPA;从阿拉丁(中国)获得的98%)。MDI,深度贴图、副总裁和DMAc在减压蒸馏前使用。N,N二甲基乙酰胺(DMAc;98%)获得了从成都Kelong公司(中国)。牛血清白蛋白(BSA)和牛血清纤维蛋白原(光纤光栅)购买的σ(美国)。所有其他化学物质从成都Kelong Inc .)获得中国。

2.2。PVP-HLPU的合成和表征

聚氨酯是首先合成。通常,0.060摩尔MDI与下搅拌溶解在200毫升DMAc N2,添加0.062摩尔DMPA紧随其后。完全溶解后单体,反应在密闭设备在70°C下4 h N2。反应途径提出了方案1。原油产品是由甲醇和热去离子的净化(DI)水,分别去除残留物。获得的PU干完全在40°C在真空炉3天。
方案1
PVP-HLPU的综合。

然后,合成了聚氨酯筏代理。通常,1.74 g链转移剂(CTA), 1.18 g EDC, 0.83 g HOBT溶解在200毫升DMAc连续搅拌在氮气氛。激活后1 h, 18 g聚氨酯添加上述解决方案,使反应在室温下24 h。产品与甲醇提纯和热去离子水,分别保证完全去除的杂质。获得产品(macro-RAFT代理)干完全在30°C真空干燥箱,直到达到恒重。

聚合的副总裁到聚合物链的聚氨酯密封管中进行。,2.49 g的副总裁,macro-RAFT代理的1 g和0.02 g (AIBN Schlenk烧瓶中加入添加DMAc紧随其后。freeze-pump-thaw三个周期后,反应混合物可以温暖到80°C下氮气氛,和聚合进行了10.5 h。对去离子水透析几天后,该产品是freezing-dried导致白色粉末,称为PVP-PU。

获得的PVP-PU被集中磺化H2所以4质量比为1:10。在室温下搅拌后H2所以410 h, PVP-HLPU与去离子水净化两次去除残留h2所以4。HLPU粉干30°C 72 h。傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和力量光谱仪被用来描述PVP-HLPU聚合物。

2.3。膜的制备和表征

膜是由一种液-液相转化法技术如我们之前所述的研究(20.]。修改后的膜与不同质量百分比的PVP-HLPU如表所示1。

表1
改性PES膜的成分。

扫描电子显微镜(FE-SEM地产- 7500 f, JEOL,日本)被用来描述膜的截面形貌。

膜的亲水性的特点是接触角测角仪(OCA20 Dataphysics,德国)配备视频捕捉。至少五个测量平均达到可靠的值。

2.4。防污性能的膜

防污性能的表征膜提供了在网上S1(见支撑材料https://doi.org/10.1155/2017/2158124)。

2.5。血液相容性的膜

PES膜的蛋白质吸附行为进行了根据我们之前的研究10]。蛋白质吸附、血小板粘附,凝血时间(激活局部血栓形成质次(APTTs)、凝血酶时间(TTs)),血小板活化(人类血小板因子4 (PF4)),凝血激活(thrombin-antithrombin三世复杂(乙)),以及补体激活(C3a和C5a)栓塞形成后症状(PES)的膜进行了,和提供的细节在S2(见补充材料)。

3所示。结果与讨论

3.1。HLPU的合成和表征

PVP-PU和PVP-HLPU的红外光谱谱图所示1。这是观察到的山峰3310厘米−1和3391厘米−1的伸缩振动峰特征- h的异氰酸酯(19]PVP-PU和PVP-HLPU,分别。磺化后,峰值强度为3310厘米−1减少,这说明成功PVP-PU磺化。峰值为2914厘米−1和2908厘米−1是由ch3CTA的PVP-PU PVP-HLPU,分别,而在1732年达到顶峰,1736厘米−1被归因于- c = O的羧基在PVP-PU和PVP-HLPU异氰酸酯。特征的伸缩振动峰cyclanone副总裁在1662厘米−1。此外,特征峰的磺酸基的S = O PVP-HLPU应该1600至1750厘米−1,这是由C = O的特征峰。


图1
红外光谱谱PVP-PU PVP-HLPU。

的核磁共振光谱PVP-PU和PVP-HLPU呈现在图2。合成PVP-PU验证通过的信号(δ= 9.59 ppm, b和c - h), (δ= 7 - 7.5 ppm, Ar-H)、d (δ= 4.22 ppm, ch2(DMPA), e (δ= 1.21 ppm, ch3CTA), f (ch2- PVP骨干),g(碳氢键PVP骨干),h, i, j (ch2- cyclanone的副总裁)、k(羧基PVP-PU)。为PVP-PU NMR谱相比,信号δ= 9.59 ppm (h)的核磁共振谱PVP-HLPU几乎消失了,取而代之的是一个强化信号δ= 8.53 ppm PVP-HLPU由于磺酸基)。


图2
的1H NMR PVP-PU PVP-HLPU。
3.2。形态和PES膜的亲水性

图3显示了膜的横截面扫描电镜图像。这是观察到膜的截面结构显示两个致密层和夹层。有趣的是,改性膜的孔隙变化逐渐从卫星传回的结构与附加的PVP-HLPU像海绵一样的结构,膜M-0相比。特别是当PVP-HLPU内容达到8 wt。% (M-8),像手指一样的毛孔几乎消失了,横断面结构几乎改变了像海绵一样的结构。此外,像海绵一样的孔隙大小逐渐增加的改变从2 wt PVP-HLPU内容。% 8 wt. %;原因可能是亲水性PVP-HLPU迁移到膜表面和孔隙表面在相分离过程中,膜的制备(17]。


图3
扫描电镜的图像不同PES膜的横截面。放大:(a) 1000 x;和(b) 2500 x。
3.3。防污性能的膜

探讨防污膜的性质,进行了BSA超滤,数据在图所示4。所有修改后的膜的PBS通量高于原始的PES膜。改性膜,PBS通量HLPU数量的增加而增加,这可能会导致改变膜的结构和表面亲水性增加(如图3和表2)。据报道,铸造解决方案是改变后的粘度混合两亲性聚氨酯,期间曾影响相分离膜的形成(21]。

表2
水接触角和PES膜的渗透性。

图4
时间PES和修改膜的通量。PBS的解决方案:0 30分钟,80 - 110分钟,160 - 190分钟;BSA的解决方案:40 - 70分钟和120 - 150分钟。

与此同时,一个轻微的减少PBS的解决方案是观察到随着时间的推移,如图4。膜的通量急剧减少,当过滤解决方案从PBS BSA的解决方案。这可能是由于沉积/ BSA分子吸附在膜表面和/或膜孔表面(22]。

恒压下的通量下降是由于两个原因:浓差极化和膜污染23]。因此,几个周期的过滤和通量恢复率进行了测试,以确定膜的通量下降的主要原因。复合膜是用PBS溶液洗净后10分钟60分钟的蛋白质超滤。随后,PBS溶液通量进行了一次。它可以观察到图4所有修改后的膜通量恢复在更大程度上比原始PES膜后在去离子水冲洗30分钟。它表明,改性膜的通量更容易被恢复,从而表现出更好的防污性能。

此外,通量恢复率( )被用来判断防污性能24]。更好的膜的防污特性是反映在更高 值。如表所示2,所有 值修改膜超过80%,高于原始PES的(40.8%)。此外, 逐渐增加而增加混合HLPU。它表明,复合膜增加HLPU后表现出良好的防污性能。

3.4。血液相容性的膜
3.4.1。蛋白质吸附

蛋白质吸附在生物材料表面的第一步总是认为是许多不受欢迎的问题和bioresponses25]。蛋白质吸附是受到很多因素的影响,如亲水性/疏水性、表面电荷、表面拓扑结构,吸附分子之间的相互作用,蛋白质溶液的组成,表面化学(26]。修改后的膜与亲水添加剂混合后表现出减少蛋白质吸附和增强生物相容性(22]。否则,血浆蛋白吸附在材料表面血小板粘附和激活(发展产生了重要影响27]。因此,蛋白质吸附是首先调查膜的血液相容性进行测试。

膜的吸附BSA和光纤光栅的研究了体外,和结果呈现在图5。正如预期的那样,所有修改后的膜表现出减少蛋白质吸附量比原始PES膜(M-0)。BSA吸附和光纤光栅18.5原始PES膜的吸附μ克/厘米2和11.8μ克/厘米2,分别。对于修改后的膜,蛋白质吸附量随混合HLPU内容增加而降低。特别是,当8 wt PVP-HLPU内容。%,BSA和光纤光栅的吸附膜(M-8)大幅下降至4.9μ克/厘米2和2.4μ克/厘米2,分别。它可能增加亲水性和静电排斥造成的修改后的膜表面的负电荷。增强蛋白质防污性能改善血液相容性的改性膜。


图5
蛋白质的吸附量为纯PES膜和复合膜。
3.4.2。血小板粘附

血小板粘附在生物材料表面的评估不够也是至关重要的。外国材料与血液接触后,诱导吸附蛋白质的血液,血小板粘附和血小板激活无法避免,那么形成血栓(28]。

血小板粘附到PES膜的结果呈现在图6。它可以观察到,秉承血小板减少的数量大幅增加PVP-HLPU数量在修改后的膜。当PVP-HLPU内容达到6 wt以上。% (M-6和M-8),几乎没有血小板粘附在修改后的膜。同时,坚持血小板表面改性膜显示圆形的形状,而且几乎没有观察到虚足和变形表面的改性膜。然而,坚持血小板的聚集在原PES膜与扩展伪足变形。这是由于改进的亲水性和相对较低的蛋白质吸附改性膜。它表明,本文以PVP-HLPU改性膜的改进。


图6
血小板粘在膜表面的SEM显微图。
3.4.3。凝血时间(APTT和TT)

激活局部血栓形成质时间(APTT)、凝血酶时间(TT)也被用来描述抗凝膜的属性。我们测量了APTTs和TTs调查的抗凝活性膜,膜,结果呈现在图7。


图7
凝血时间结果所有的膜。值表示为意味着±SD ( )。

APTTs和TTs和增加混合PVP-HLPU数量急剧上升。当混合的PVP-HLPU达到8 wt。%,膜的APTT和TT M-8超过三倍的APTT和TT膜M-0。凝固时间的增加远远高于在其他研究报告(29日]。优秀的抗凝属性是由heparin-mimicking HLPU结构,增强亲水性,防污性能。因此,凝血时间测试表明抗凝PVP-HLPU改性膜的性能改善。

3.4.4。血小板活化、凝血酶生成

接触凝血系统的激活诱导凝血是至关重要的。血小板活化可能导致血小板聚集和激活凝血级联系统。血小板凝血因子相互作用,形成凝血酶是一种强有力的platelet-activating受体激动剂(30.]。活化的血小板可能导致形成血小板因子4 (PF4),而形成的凝血酶可能与抗凝血酶III夫妇生成thrombin-antithrombin III(乙)复合物[31日]。因此,PF4的浓度和乙复合物能反映接触激活水平,和结果呈现在图8。


图8
血小板因子4 (PF4)和thrombin-antithrombin III(乙III)复杂的膜的浓度。

PF4和乙复合物浓度的改性膜相比大幅下降的PES膜(M-0)或等离子体,这表明,改性膜不会诱导激活血小板及凝血级联。因此,修改后的膜引入PVP-HLPU后表现出良好的血液相容性。

3.4.5。补体的激活

人类补体系统也是很重要的在体内的抗感染防御机制和“非我”元素(32]。血液接触后,补体激活的材料。本文以反映补体激活后,紧随其后的是C3a、C4a ca5的释放,这是过敏毒素(33]。在当前的研究中,激活C3a ca5的测试评估修改后的膜的补体激活,和结果呈现在图9。


图9
膜C3a ca5的浓度。

C3a和C5a在等离子体浓度增加后膜M-0与等离子体接触。然而,对于修改后的膜,C3a和C5a在等离子体浓度在一定程度上减少。此外,其浓度随PVP-HLPU添加剂的量增加而降低。结果表明,改性膜显示引入PVP-HLPU后抑制补体激活。

3.4.6。节流的比较亲水段

为了研究的影响与不同的节流HLPUs亲水段膜上表演,CA, PEG-capped HLPUs也改性PES膜的合成和使用。的分子结构HLPUs方案中所示2。
方案2
分子结构与不同的节流HLPUs段。

在这项研究中,8 wt。%的CA、挂钩,PVP-capped HLPUs与18 wt混合。栓塞形成后症状(PES)的%,膜被相转化法的方法,称为M-CA-HLPU M-PEG-HLPU和M-PVP-HLPU分别。纯PES膜也准备像M-PES参考和命名。PES膜的属性表中列出3。亲水性,水通量, 改性PES膜混合功能HLPUs后增加。pe复合膜PEG-capped HLPU表现出最低的蛋白质吸附与其他功能HLPUs相比。PVP-capped HLPU可以赋予PES膜(M-PVP-HLPU)最好的血液相容性,这是证明了最高的APTT和TT和最低的血小板激活,答一代,补体激活。

表3
系统比较不同HLPUs改性膜。

4所示。结论

在这项研究中,类肝素聚(乙烯基吡咯烷酮)顶部覆聚氨酯(PVP-HLPU)是由可逆加成断裂链转移聚合设计结合磺化。可以直接获得PVP-HLPU与PES混合基质膜做准备。修改后的膜显示优秀出色的蛋白质防污性能,本文以与原始PES膜。结论,它是一种有效的系统来评估血液兼容性膜的APTT、TT和血小板粘附等等。这并不是说,没有缺点,这三种方法的使用。其他方法如补体的激活、溶血试验也可以用来描述聚合物材料的血液相容性。尽管如此,我们的研究结果表明,PVP-HLPU改性膜用于血液净化有巨大的潜力。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是财务由中国国家自然科学基金(51225303和51225303号)。

补充材料

防污性能、蛋白质吸附、血小板粘附、凝血时间和酶联免疫吸附剂测定(ELISA)在支持信息。

  1. 补充材料