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1、 收稿:2007年6月,收修改稿:2007年7月3 国家自然科学基金项目(No.20376045;20676079)资助3 3 通讯联系人 e2mail:wanajun 可释放一氧化氮聚合物材料的制备及其在生物医疗器械中的应用3寇玉霞 万锕俊3 3(上海交通大学化学化工学院 上海200240)摘 要 一氧化氮(NO)是一种很好的血小板黏附或活化的抑制剂,同时也是很有效的抗平滑肌细胞增生剂。可释放NO的聚合物材料显示出较好的抗血栓形成及抑制细胞增生的性能。本文综述了可释放NO聚合物材料的制备方法及其近年来在生物医疗器械中的应用。用来制备可释放NO聚合物材料的NO供体主要有两大类,一类是亲核NO供
2、体N2diazeniumdiolates,另一类是S2亚硝基硫醇(RSNOs)。制备可释放NO聚合物材料的方法主要有3种:(1)通过物理掺杂的方式将小分子的NO供体分散到聚合物材料中;(2)对聚合物材料的填料微粒进行化学改性,得到可释放NO的填料粒子,再将其填充到聚合物材料中;(3)通过共价键将可释放NO的基团连接到聚合物主链及侧链上。所得到的可释放NO聚合物材料在血管内传感器、体外血液循环电路和体内移植血管等生物医疗器械中有广泛的应用。关键词 一氧化氮 N2diazeniumdiolates 可释放NO聚合物 生物医疗器械中图分类号:O632.6;O633.2;O631.2 文献标识码:A
3、文章编号:10052281X(2008)0520729211Preparation of NO Releasing Polymers and Their Applicationsfor Biomedical DevicesKou YuxiaWan Ajun3 3(Department of Chemistry,School of Chemistry and Chemical Technology,Shanghai Jiao T ong University,Shanghai 200240,China)AbstractNitric oxide(NO)is a potent inhibitor o
4、f platelet adhesion and activation,and an excellent inhibitor ofsmooth muscle cell proliferation.NO releasing polymers exhibite enhanced thromboresistivity and have the potential toreduce neointimal hyperplasia.In this article,the recent studies on the preparation,characterization and biomedicalappl
5、ications of novel NO releasing polymeric materials are reviewed.N2diazeniumdiolates andS2nitrosothiols(RSNOs)are two main types of NO donors which used to prepare NO releasing polymers.The approaches taken to prepare NOreleasing polymers are classified into three categories:(1)doping discrete NO don
6、ors within polymer matrix;(2)covalent attachment of NO releasing moieties on the filler particles of the polymer to provide NO releasing properties andthen dispersion them into the polymer backbone;(3)covalent linkage of NO donors to polymer molecules.The variousNO releasing polymers have potential
7、applications in biomedical devices,such as intravascular sensors,extracorporealbloodloop circuits,and arteriovenous grafts etc.Key wordsnitric oxide(NO);N2diazeniumdiolates;NO releasing polymers;biomedical devices第20卷 第5期2008年5月化 学 进 展PROGRESS IN CHEMISTRYVol.20 No.5May,20081 引言 当前,有许多不同类型的聚合物材料已经成功
8、地用于制备各类与血液相接触的体内移植器和体外医疗器械。例如:移植血管,血管内的导管及传感器,冠状动脉及血管的支架,起博器的电绝缘材料等。但这种材料固有的凝血酶原特性容易引起严重的并发症,从而导致其功能的失效。因此,在临床上总是需要全身的抗凝血剂(肝磷脂,低分子量的肝素,其他的抗血小板凝结剂)来降低血栓形成的危险性。但长期用外生的抗凝血剂也有许多副作用,特别是增加了出血的可能性。另外,尽管很好地控制了抗凝血剂的用量,血小板减少及大量出血仍然无可避免。除了易于引起血小板活性及形成血栓外,这种用聚合物材料制成的医疗器械在移植过程中容易损坏血管的内皮细胞,从而导致平滑肌细胞内壁增生,最终引起血管的狭窄
9、病1,2。例如在球形血管成形术中放入金属支架有助于降低由于血管内壁的损坏而引起的再狭窄。而且支架在血管内的伸展会进一步导致内皮细胞及平滑肌细胞的破坏。这种支架材料本身就是一种异质材料,提供了蛋白质吸附的位点,使血小板凝集形成血栓(图1)。在术后的第一个月内,如果将血小板抑制性药物全身性用药,再狭窄的危险性可以显著减小。但是长期而言,在一年内大约有30%的病人会发生再狭窄,需要重新手术。为了解决这些问题,最近的研究主要致力于在聚合物材料中掺入抗细胞增生的药物涂覆在支架的表面做成药物洗脱支架3。但是,这些非本质的抗细胞增生剂对血管壁完整性的长期影响到什么程度仍然不太清楚。图1 与血液相接触植入材料
10、的生物响应示意图3Fig.1Illustration showing the biological response to implantedmaterials exposed to blood3对于血管移植而言,同样存在生物相容性的问题,特别是那些做慢性血液透析的病人,这类病人占有相当大的比例,仅美国就超过20万人。目前,做血液透析的病人几乎有70%都是用聚四氟乙烯(PTFE)材料的移植血管来扩张动静脉,但是这种材料的移植血管只有50%能够维持1年的使用率4,5。事实上,80%血管的机能失调主要是由血栓的形成引起的4。近年来,许多研究团体做了大量的研究工作,用不同的方法得到了具有一定血液相容
11、性的聚合物材料。这些方法通常可以分成两类:一类是模拟健康血管的内皮细胞68;另一类是采用可以降低血液和材料相互作用的化学表面(例如,可以减少蛋白质和细胞吸附的聚合物材料表面)。一般而言,在与血液相接触的聚合物表面发生血小板活化、形成血栓的第一步就是蛋白质的吸附作用。由于在人体环境下很难防止蛋白质的吸附,因此最有效的方法就是通过模拟无凝血酶原的健康血管的内皮细胞(EC)来减少血栓的形成。有助于提高内皮细胞的无凝血酶原及抗血小板性能的分子主要有:一氧化氮(NO)(由血管内皮细胞中的一氧化氮合成酶(NOS)与L2精氨酸作用产生)、环前列腺素、肝素等9,10。因此,如果所制备的聚合物材料能够放出或者含
12、有这类分子,则聚合物材料的表面可能就有较好的抗血栓性。一氧化氮是一种很有效的抗血小板凝结剂,健康血管的内皮细胞可以不断的释放出NO来防止血小板在血管壁上黏附1113。研究表明,正常或模拟的内皮细胞表面NO的释放率大约为110-10molcm-2min-114。而且,NO也是一种重要有效的平滑肌细胞增生的抑制剂,能够释放出NO的试剂已经被提议用作治疗再狭窄的药物1517。由此可见,如果聚合物材料能够在相当长的时间内,定点释放或者产生NO的量等于或大于正常的内皮细胞所释放出NO的量,就可以解决许多医疗器械所引起的形成血栓及再狭窄的问题。而且由于NO在血液中的半衰期相当短(量少时只要几秒14,18)
13、,从聚合物表面释放出的NO除了能改善聚合物材料的血液相容性外,几乎对身体没有什么副作用。本文主要论述了可释放NO聚合物材料的制备方法及其近年来在生物医药领域中的应用。2 可释放NO的聚合物材料的制备 可释放NO聚合物材料的制备方法主要有3种19:(1)通过物理共混的方式将小分子的NO供体分散到聚合物材料中(图2a);(2)通过共价键将037化 学 进 展第20卷可释放NO的基团连接到聚合物主链及侧链上(图2b);(3)对聚合物材料的填料微粒(如二氧化硅,二氧化钛)进行化学改性,得到可释放NO的填料粒子,再将其填充到聚合物材料中(图2c)。图2 采用阴离子型diazeniumdiolate作为N
14、O供体制备可释放NO聚合物材料的示意图19Fig.2Schematic illustrating approaches to prepare NO2releasepolymeric materials using anionic diazeniumdiolate type NOdonors19制备中所用到的NO供体主要有两种,一种是亲核NO供体N2diazeniumdiolate,另一种是S2亚硝基硫醇(RSNOs)。N2diazeniumdiolate是目前研究最多的一类NO供体,这类亲核加成产物早在上世纪60年代Drago等20就已经合成出来,但由于当时没有发现NO的许多生理功能,直到90
15、年代早期才引起了研究者的广泛兴趣,并用来制备新型的生物材料。N2diazeniumdiolate可以分成两类,两性离子型和阴离子型。Hrabie等21将含有二元胺的化合物在5个大气压的压力下同NO反应可以得到两性离子型的N2diazeniumdiolate(图3a)。同样,在NO的加成反应过程中加入强碱盐,如甲醇钠等,可以制备阴离子型的N2diazeniumdiolate(图3b)。在酸性和热条件下,可以催化这类亲核NO供体释放出NO(图4),因此在生理条件下可以加快NO的释放速率。图3 亲核NO供体N2diazeniumdiolate的合成示意图:(a)两性离子型2;(b)阴离子型421Fi
16、g.3SynthesisschemeofN2diazeniumdiolate:(a)zwitterionic 2;(b)anionic 421NRRN+O-NO-Na+H+NRRH+2NO+Na+图4 阴离子型N2diazeniumdiolate的NO释放示意图21Fig.4Schematic representation of NO release from anionicdiazeniumdiolate21 第二类用于制备可释放NO聚合物材料的NO供体是S2亚硝基硫醇(RSNOs)5。S2亚硝基硫醇被认为是一种存在于生物体中的能够储存及运输NO的化合物。S2亚硝基2白蛋白及S2亚硝基谷胱甘
17、肽(GSNO)是生物体血液循环中存在最多的两种S2亚硝基硫醇,而且还发现在细胞中也存在S2亚硝基谷胱甘肽(GSNO)22。S2亚硝基硫醇通过3种机理使SNO健断裂释放出NO23。一种是通过铜离子来调节RSNOs的降解,这种降解方式需要先将二价铜离子Cu2+还原成一价铜离子Cu+,然后Cu+再与亚硝基硫醇发生反应释放出NO,同时重新被氧化成Cu2+24。在生物体中存在足够量的抗坏血酸盐及游离的硫醇离子将Cu2+还原成Cu+。第二种降解机理就是RSNOs直接与抗坏血酸盐反应,当反应物浓度超过mmolL137第5期寇玉霞等 可释放一氧化氮聚合物材料的制备及其在生物医疗器械中的应用级时,可以释放出NO
18、并产生游离的硫醇和脱氢抗坏血酸盐25。第三种机理就是SNO健在光照条件下容易发生均裂释放出NO并生成二硫化物,所用光的波长一般为330350 nm及550600 nm26。到目前为止,所得到的可释放NO的聚合物材料主要有:聚乙烯亚胺、硅橡胶、聚甲基丙稀酸酯、聚氯乙烯、聚氨酯、溶胶2凝胶和水凝胶等。2.1NO供体掺杂在聚合物基质中Smith等27在1996年首先提出可以将亲核NO供体N2diazeniumdiolate用来制备可释放NO的聚合物材料,小分子的NO供体diazeniumdiolates通过非共价相互作用的方式分散在聚合物材料中。他们成功地将基于二乙胺及精胺的小分子亲核NO供体DEA
19、N2O2(4中R=CH2CH3)及SPERN2O26分散在聚乙二醇(PEG)及聚己内酯(PCL)中,得到可释放NO的聚乙二醇(PEG)及聚己内酯(PCL)的膜材料。在Smith等人研究的基础上,许多研究团体开始将亲核NO供体N2diazeniumdiolate分散到聚合物基体中来制备可释放NO的聚合物材料。Smith和Simmons28将小分子的亲核NO供体,DETAN2O2(4中R=CH2CH2NH2)、DPTAN2O2(4中R=CH2CH2CH2NH2)及O2取代的DPTAN2O2成功的分散到了水凝胶基质中,兔模型实验显示,这类材料可以用作释放NO的皮肤材料。Tierney等29的研究发现
20、,基于二乙基三胺的NO供体DETAN2O2能够掺杂在聚乙烯2醋酸乙烯中得到可释放NO的共聚物。尽管这些研究提供了有效的方法制备可释放NO聚合物材料,但Mowery等30随后的研究发现,由于NO被氧化后的中间产物NO+与多胺化合物发生反应而形成致癌性的RNNO,用亲水性二元胺制得的亲核NO供体,如DMHDN2O2(2中x=6,R=CH3)等容易从聚合物基体中脱落生成致癌物质亚硝胺。而且,Shishido等31将S2亚硝基谷胱甘肽(GSNO)和S2亚硝基2N2乙酰半胱氨酸(SNAC)混在聚乙二醇(PEG)和聚氧丙稀(PPO)的共聚物或聚乙二醇(PEG)中,用来靶向性释放NO。由于RSNO供体是水溶
21、性的,在生理条件下RSNO供体容易从聚合物基体脱落产生副产物,这是使用这种可释放NO聚合物材料最大的局限性。在血液流动条件下,这种问题会加剧。为了避免或者减少致癌物质亚硝胺从聚合物基质中泄漏出来,研究人员主要致力于制备具有较好亲脂性的NO供体。这种亲脂性NO供体在聚合物相中有较好的分配系数,因此可以很好地存在于聚合物基质中,从而使聚合物在释放NO的同时,大大减少了有毒物质的泄漏。Batchelor等32制备了许多具有更好亲脂性两性离子型的二甲基己二胺的亲核NO供体DMHDN2O2(2中x=6,R=CH3)的衍生物,侧链上烷基链的长度从DMHDN2O2上的甲基逐渐增加到正己基及正十二烷基。结果显
22、示,取代烷基链超过一定的长度后,不能得到稳定的diazeniumdiolates。当二元胺中R基团的链长超过正戊基时,不能在空气中分离出两性离子型的diazeniumdiolates。如果在反应体系中加入一定量的甲醇钠,所有链长的烷基化二胺都能够得到钠离子稳定型的diazeniumdiolates,而且每摩尔二元胺可以释放出4mol的NO31。另外一种方法就是采用不会形成致癌性物质的胺类(比如氨基酸)得到N2diazeniumdiolates。例如,Saavedra等33研究发现,L2脯氨酸在强碱性环境下可以同NO反应生成阴离子型PROLIN2O2(7),将7嵌入到聚氨酯材料中,在生理条件下可
23、以稳定的释放NO超过7周,且由L2脯氨酸形成的亚硝胺不会致癌。因此,即使PROLIN2O2从聚氨酯基体中脱落,对人体也没有害处。万锕俊等 34合成了一系列烷基改性氨基葡萄糖的阴离子型亲核NO供体8,其中R为不同结构的烷基,包括甲基、乙基、丙基、丁基和戊基。通过改变R基团的类型,可以调节NO的负载量及所得供体的半衰期。当R基团为戊基时,所得亲核NO供体的在磷酸盐缓冲溶液中的半衰期达到47 h之久,明显长于现有的离子型小分子亲核NO供体,具有重要的临床应用价值。将所得到的亲核NO供体掺杂在乙基纤维素的基质中,得到可释放NO的乙基纤维素聚合物材料,通过调节NO供体及基质材料的加入量来控制聚合物材料表
24、面NO的释放流率及释放时间。这种具有良好生物相容性的可释放NO的聚合物材料是很好的生物医药材料。其在心血管支架材料中应用性能的研究正在进行中。为了使NO供体更有效地制备可释放NO的聚合物材料,NO供体需要满足两个条件:一是NO供体在同聚合物基质共混的过程中必须保持稳定;二是当这种共混材料暴露于水或血液中时,能够自发237化 学 进 展第20卷地释放出NO。一般,亲核NO供体diazenium2diolates在水溶液中释放NO的速率依赖于溶液的pH值和温度,但将其掺杂到聚合物材料后,控制NO释放速率的变量增加。Batchelor等32的研究表明,用二乙基己二胺的亲核NO供体DBHDN2O2(2
25、中x=6,R=CH2CH3)制备的可释放NO聚氯乙烯(PVC)在释放NO的过程中,随着时间的延长,聚合物基质中自由氨基的浓度会不断增加,从而使聚合物材料有机相 中 的 碱 性 增 加。由 于 亲 核NO供 体diazeniumdiolates的释放都是酸催化反应,碱性的增加抑制了NO的释放,使NO的释放速率降低。实验证明,为了使NO能够以较大的速率从聚合物基质中释放出来,一种有效的方法就是在聚合物基质中加入具有亲脂性的阴离子盐。加入这类阴离子后,可以缓冲聚合物基质的有机相,使所产生的自由氨基质子化,加快了NO从聚合物中释放出来。如图5所示,在上述可释放NO的PVC中添加了42(氯化苯)2硼酸钾
26、KTpClPB后,NO的释放速率显著增加,具有较大的NO释放量。图5 分别添加及不加KTpClPB的PVC聚合物膜在PBS中(pH=714),37 下NO的释放速率32Fig.5NO flux for a PVC polymer film with and withoutKTpClPB additives soaked in PBS buffer(pH=714)at 37322.2NO供体通过共价键连在聚合物基质中制备可释放NO的聚合物材料的第二种方法是将NO供体以共价键连在聚合物基质中。用共价健将功能性基团diazeniumdiolate连接到聚合物的分子结构中也可以避免致癌性物质亚硝胺从聚
27、合物基体中剥落进入生物体内。这种观念由Smith及其合作者首次提出,他们用1,42丁二醇二缩水甘油醚交联聚乙烯亚胺(PEI)后,再与NO反应得到可释放NO的聚乙烯亚胺PEIN2O235。体内实验表明,与控制型的移植材料相比,可以释放NO的PEIN2O2材料的表面呈现较少的血小板沉积现象。在聚多糖分子中接枝上二丙基三胺,再与NO发生反应,可以得到侧链上含有diazeniumdiolate基团的聚合物材料。随后,Saavedra等36将哌嗪接枝到聚氯乙烯(PVC)中,在一定的压力下同NO反应得到可释放NO的聚氯乙烯(PVC)材料,并将其功能性diazeniumdiolate基团的O2位点烷基化。M
28、owery等30考察了这种材料释放NO的性能。结果显示,由于这类O2位点被甲氧基化甲基改性后的diazeniumdiolate需先水解O2上的甲氧基化甲基基团,因此其在水性介质中释放NO的速率非常缓慢。Zhang等8发现,端基为羟基的聚二甲基硅氧烷被含有二元氨基脂肪族硅烷偶联剂DACA 9交联后,再与NO发生反应可以得到可释放NO的硅橡胶DACAN2O22SR。其中,采用DACA26(9中x=6)制SOH3COCH3OCH3i_CH2xNHCH2CH2NH29备的可释放NO硅橡胶DACA26N2O22SR显示出较好的NO释放性能,通过热解的方式可以释放NO长达20 d。在聚甲基丙稀酸酯分子的侧
29、链上共价的接上线性或环状的仲胺基团后,再与NO反应可以制备可释放NO的聚甲基丙稀酸酯材料37。具有不同分子结构的单体发生共聚后得到可以同NO发生反应生成diazeniumdiolate的聚合物前驱体。由于每种单体的分子中只含有一个仲胺基团,在与NO的反应体系中需加入甲醇钠才能得到稳定的阴离子型diazeniumdiolate。NO的负载量与聚合物基质中仲胺基团的数量成正比。与可释放NO的硅橡胶材料DACA26N2O22SR不同,当这种可释放NO的聚甲基丙稀酸酯材料在水溶液中释放NO的速率相对较快,释放半衰期在3060 min之间,这可能是由于聚甲基丙稀酸酯具有较大的吸水性。为了减慢NO的释放速
30、率,可以将这种可释放NO的聚甲基丙稀酸酯掺杂在疏水性的聚合物基质中。例如,可以将其混入到聚硅橡胶材料中,NO的释放速率超过510-10molcm-2min-1可持续至少19 h。Zhou等38在聚甲基丙稀酸酯的侧链上接上脂肪族二胺后,再同NO发生加成反应得到一系列可释放NO的共聚物。聚合物中的氨基位点至少有2211%(摩尔比)转化成相应的N2diazeniumdiolates,并且释放NO的总量可以达到0194molmg。可将这类可释放NO337第5期寇玉霞等 可释放一氧化氮聚合物材料的制备及其在生物医疗器械中的应用的聚甲基丙烯酸酯掺杂到聚合物基质中,得到新型的可释放NO的聚合物涂层。将可生物
31、降解的PLG A作为添加剂加入到涂层中,可以显著延长NO的释放时间。这是由于随着PLG A的降解,在聚合物涂层中不断地生成酸性物质,从而逐渐催化diazeniumdiolates释放出NO。除了PVC、SR和聚甲基丙稀酸酯等聚合物材料,聚氨酯PU也是一种制备与血液相接触的医疗设备的常用材料。可释放NO的聚氨酯材料的制备过程也同前面提到方法相同,将带有仲胺基团的聚氨酯同NO在高压下反应得到diazeniumdiolate。与可释放NO的DACA26N2O22SR和PEIN2O2不同,含有二元胺扩链剂的聚氨酯与NO发生加成反应主要生成亚硝酸盐,却不能得到diazeniumdiolate基团。但是,
32、如果在反应过程中加入钠盐后,可以生成稳定的阴离子型diazeniumdiolate基团。Reynolds等39用共价键将diazeniumdiolate连接到聚氨酯PU的主链及侧链上。主链上连有diazeniumdiolate基团的PU,在生 理 条 件 下 释 放NO的 速 率 可 以 高 达19pmolcm-2s-1释放总量达到21 nmolmg。但在PU分子链的侧链上连接diazeniumdiolate基团后,NO的释放 总 量 及 释 放 速 率 都 明 显 比 主 链 上 连 有diazeniumdiolate基团的PU要小。其中,释放总量只有17nmolmg,释 放 的 初 始 速
33、 率 也 只 有14pmolcm-2s-1,且速率随着时间的延长逐渐减小。此外,壳聚糖是一种天然的碱性多糖,具有很好的生物相容性,在生物医药领域有广泛的应用。万锕俊等40采用氨基酸对壳聚糖C2位点氨基及C6位点羟基分别进行化学改性,将仲胺基团以共价键引入到壳聚糖的分子结构中,将这两类改性产物分别同NO在甲醇钠的甲醇溶液中,一定压力下反应,可制得释放NO的壳聚糖大分子材料(10,11)。用甘氨酸(G LY)改性壳聚糖所制备的两类可释放NO的壳聚糖材料分别记为C2G LYCSNO及C6G LYCSNO。C2G LYCSNO的最大NO负载量为310 nmmg,体外释放半衰期为18 min;而C6G
34、LYCSNO的最大NO负载量为423 nmmg,体外释放半衰期为9 min。从上述结果可以看出,通过将氨基酸共价地连接到壳聚糖的分子结构中,增加了分子中的亲核位点(NH),从而提高壳聚糖的NO负载性能。而且,氨基酸在壳聚糖分子中所处的位置(C2位,C6位),对所制备NO释放聚合物材料的NO负载及释放性能有较大的影响。另外,也可以以溶胶2凝胶和水凝胶为基体材料,亲核NO供体diazeniumdiolate通过共价键连在分子结构中得到可释放NO的溶胶2凝胶和水凝胶。Marxer及其合作者41得到了可释放NO的烷氧基硅型的溶胶2凝胶材料,这种材料在室温下可以释放NO超过20 d,并能够减少细菌和血小
35、板的黏附。此外,将聚乙二醇N2羟基丁亚胺单丙稀酸酯与聚L2赖氨酸的反应产物先溶解在水中,再与NO气体反应后,可以得到负载NO的水凝胶42。Masters等43先将交联后的聚醋酸乙烯酯改性成带氨基的中间体,再与NO发生反应,制备了可释放NO的聚醋酸乙烯酯水凝胶,这种水凝胶对伤口的愈合有积极作用。2.3 对聚合物的填料粒子进行改性另外一种赋予聚合物材料可释放NO性质的方法就是对添加入聚合物基质中的填料进行改性。在填料分子中共价地接上可释放NO的功能性基团。二氧化硅(SiO2)和二氧化钛(TiO2)粒子通常被用来增强聚合物材料并用来调节聚合物材料的流变学性质44,45。如图6所示,NO供体通过共价键
36、连接在填料粒子的表面上,NO释放后产生的副产物仍然留在聚合物基质中,从而防止了潜在的毒性物质从聚合物基质中泄漏出来进入血液。而且可以通过调节填料粒子的加入量及改变聚合物基质的性质(如吸水性),来控制NO从聚合物材料表面释放的速率。事实上,通过这些方法,可以在不改变聚合物主链的性图6 用NO供体改性的填料粒子来制备可释放NO聚合物材料的示意图46Fig.6Schematic diagram of NO release polymers prepared byembedding NO donor2modified filler particles in multilayerpolymer coat
37、ings46437化 学 进 展第20卷质或者交联过程的情况下,得到多种可释放NO的生物医药用聚合物材料。Zhang等46研究表明,发烟硅胶粒子可用4种含有不同氨基的硅烷剂进行改性。这4种含有不同的单胺或二胺烷基化基团的硅烷剂被共价地连在聚合物填料发烟硅胶粒子的表面,再与NO在高压下反应,形成了N2diazeniumdiolate基团。但是只有在反应体系中加入强碱性的甲醇盐NaOMe,才能生成亲核NO供体N2diazeniumdiolate。用N2氨己基232氨丙基三甲氧基硅烷6作为连接剂,可以得到NO负载总量超过0128 mmolg的发烟硅胶粒子。这种可释放NO的硅胶粒子在固相状态下释放NO
38、呈现质子催化及热催化的特性,1 mol的N2diazeniumdiolate分解放出2 mol的NO气体。这种可释放NO的填料粒子能够很容易地混在聚合物材料中得到可释放NO的聚合物材料,用作生物医疗设备的涂层材料。图7 中间层混有不同重量百分含量填料粒子的聚氨酯三层膜在磷酸盐缓冲溶液中,23 下NO的释放速率46Fig.7NO flux fromvarious polyurethanetrilayer filmscontaining different weight percentages fumed silica fillersblended into the middle layer in
39、 phosphate buffer saline(pH=714)at 2346图7显示,将不同量的填料粒子(wt%)加入到聚氨酯三层膜的中间层,可以得到具有不同NO释放量的聚合物膜。NO的释放速率用化学发光仪进行实时检测。将含有NO供体的聚合物膜放在一个玻璃皿中,在玻璃皿中不断地通入氮气,并加入去氧的PBS。所释放出的NO被氮气从溶液中带出,用化学发光仪进行检测。聚合物膜表面NO的释放速率通过所释放出的NO的总量与膜的表面积及时间的比值来计算。尽管在真正的生物体中存在许多其他的因素影响NO从可释放NO的聚合物材料表面释放出来,但对于N2diazeniumdiolate而言,质子催化是NO释放最
40、重要的因素。因此,在体外用化学发光的方法所测得的NO释放速率,对这种聚合物材料来说具有一定的准确性。另一方面,由于NO同氧气和血色素的反应非常迅速,在体内这种聚合膜表面NO的实际浓度将依赖于这些活性物质在体液或者血液中的含量。同样,可以将另一种NO供体接到发烟硅胶填料粒子的表面。与Zhang等报道的在发烟硅胶上引入亲 核NO供 体diazeniumdiolate相 似,Frost和Meyerhoff47的研究结果显示,用含有伯胺基团的硅烷偶联剂与N2乙酰化青霉胺12反应后,在填料粒子的表面产生了自由巯基基团,所得到巯基可以进一步与亚硝酸特丁基盐反应生成S2亚硝基2N2乙酰化青 霉 胺(SNAP
41、)改 性 的 发 烟 硅 胶 填 料 粒 子图8 含有10 wt%SNAP2FS的硅橡胶膜在不同强度可见光照射下的NO释放速率47Fig.8NOflux from silicone rubber films containing 10 wt%SNAP2FS exposed to different intensities of white light47(SNAP2FS)。用这种合成方法得到填料粒子的NO负载量可以达到0114 mmolg。这种可释放NO的填料粒子SNAP2FS在铜离子、抗坏血酸及硫醇的存在下可以释放出NO;一旦这些填料粒子被嵌入到聚合物三层膜的中间一层,SNAP2FS释放NO
42、的性质依赖于聚合物基质的性质。例如,将这种填料粒子加入到硅橡胶膜中后,在含有铜离子或抗坏血酸的缓冲溶液中却没有NO释放出来。这种可释放NO的发烟硅胶填料可以掺杂在多种聚合物材料中形成可释放NO的复合材料。填充了SNAP2FS的硅橡胶在可见光照射下,可以释放出NO。其中填料粒子的填充量,照射光强和照射时间决定了聚合物材料表面NO的生成速率(图8)。将这类可释放NO的发烟硅胶粒子作为填料添加到特定的聚合物基质中,通过光引发来释放NO,首次提出了通过外部照射的方式来引发及控制NO从聚合物体系中释放。此外,由于材料释放NO的速率能够通过照射光的光强来控制,这类材料也可以用来研究不同量的NO对细胞537
43、第5期寇玉霞等 可释放一氧化氮聚合物材料的制备及其在生物医疗器械中的应用响应的影响。2.4 其他类型可释放NO的聚合物材料当前,通过NO供体掺杂在聚合物基质中,或共价键连在聚合物分子链上及填料粒子表面等方法来制备可释放NO聚合物材料的最大的局限性就在于NO的储存量有限。而且当所需的聚合物涂层要求很薄时(如血管支架),NO在一定速率下释放的时间较短,最多不会超过两天。为了解决这个问题,可以采用内生型的NO供体来制备可释放NO的聚合物材料。健康的血液中已经存在大量的NO前驱体,以亚硝酸盐及S2亚硝基硫醇(RSNOs)的形式存在。其中S2亚硝基谷胱甘肽(GSNO),S2亚硝基巯基丙氨酸(CysNO)
44、的量达到molL级48。而这类新型的材料是用已经存在于血液循环中的S2亚硝基硫醇及亚硝酸盐作为NO的释放源。例如:Duan等49将L2巯基丙氨酸连接到聚对苯二甲酸二甲酯PET及聚氨酯PU表面,其中游离的硫醇可以同血液中的亚硝基硫醇,比如S2亚硝基2血清白蛋白,发生NO交换反应。相应地连在PET和PU表面上不稳定的S2亚硝基巯基丙氨酸的降解增加了NO的定点释放量。这类材料的潜在优势在于可以在聚合物和血液的界面上无限制地产生NO。Oh等50,51生物模拟了图9 含有亲脂性铜离子配合物的PVC膜催化S2亚硝基谷胱甘肽GSNO释放出NO50,51Fig.9Generation of NO fromS2
45、nitrosoglutathione catalyzedby a PVCfilm containing the lipophilic copper complex50,51一种可以在生理条件下还原S2亚硝基硫醇及亚硝酸盐生成NO的亲脂性铜配合物。将这种铜配合物分散在PVC和PU膜中,在还原剂(如维生素C酸、巯基丙氨酸,谷胱甘肽)的存在下可以催化NO的生成。而且在生物体中存在的S2亚硝基巯基丙氨酸(1molL)可以产生表面NO的流量超过810-10molcm-2min-1,比内皮细胞表面NO的流率110-10molcm-2min-1要大得多(见图9)。此外,在生理pH值下,这种铜配合物在抗坏血酸
46、存在下可以将亚硝酸盐转化成NO49。这种用内生型的亚硝基硫醇及亚硝酸盐定点持续释放NO的聚合物材料可以解决接枝血管的长期植入而引发的生物相容性问题。3 可释放NO聚合物材料在与血液相接触的生物医疗器械中的应用3.1 体内移植血管Pulfer等52将交联后的PEI微球与NO反应得到能够释放NO的聚合物微球。这种微球可以用来嵌在移植血管的小孔中,使移植血管能够释放NO达150 h之久。另外,将掺杂有DETAN2O2的聚乙烯2醋酸乙烯的共聚物植入到兔的头盖骨动脉中,72h后仍然没有出现血管痉挛的症状29。Batchelor等32将表面涂有含二丁基己二胺亲核NO供体DBHDN2O2聚氨酯膜的血管植入到
47、羊体内21 d后,如图10所示,与无涂层的血管相比,血栓的形成显著减少。图10 聚乙烯接枝血管表面涂上DBHDN2O2掺杂PVC膜后,植入到羊体内21 d后,能够释放出NO的接枝血管与不能释放NO的控制型接枝血管相比,表面形成血栓的几率显著降低32Fig.10VectravasculargraftscoatedwithDBHDN2O2blended PVC films implanted in sheep for 21 d,the NO2releasing grafts showed a significant reduction in thrombusformation compared t
48、o the non2NO releasing controls32Zhang等8的研究结果显示,在体外试管的内壁涂上DACA26N2O22SR硅橡胶膜后,可以显著减少血栓的形成及血小板的消耗。Bohl和West53先将巯基丙氨酸接枝到聚乙二醇(PEG)分子链上,再将得到的共聚物与亚硝酸钠反应生成S2亚硝基巯基丙氨酸基团。在这种可释放NO水凝胶的存在下,可以抑制溶液状态下细胞的平滑肌细胞增生,也能够抑制涂有胶原质薄片表面的血小板凝集。将这种材料在动脉附近发生光聚合,可以定点地释放NO,用来靶向性治疗由于血管重塑术后所引起的再狭窄。Fleser等54发现在聚氨酯及聚二甲基硅氧烷的共聚物接枝血管外涂
49、上一层含有DBHDN2O2及相应添加剂的聚氯乙烯(PVC)膜后,在接枝血管的表面上637化 学 进 展第20卷释放NO的速率超过内皮细胞(ECs)所产生NO的速率(110-10molcm-2min-1)可以维持21 d之久。3.2 体外血液循环电路Zhang等46将脂肪胺接枝到直径为710 nm发烟硅胶(fumed silica)纳米粒子表面上后再与NO作用形成可释放NO的纳米粒子。将这种纳米粒子混合在疏水性聚合物基体中作为兔模型体外血液循环电路的涂层,可以释放足够量的NO超过4h,并能显著降低血小板凝结。Annich等6的研究结果表明,基于二甲基己二胺亲核NO供体DMHDN2O2的可释放NO
50、的聚合物材料,可以用作体外血液循环电路的涂层材料,释放出的NO不影响设备的功能性,相对不能释放NO的设备而言,在设备的表面显示较少的血液响应,从而减少了血栓形成。3.3 血管内传感器大量的报道显示,在pH、氧气、二氧化碳及荧光传感器的表面涂覆上释放NO的聚合物层后,并不影响传感器的检测效果30,55。Schoenfisch等7的研究结果表明,采用二甲基己二胺亲核NO供体(DMHDN2O2)制备的可释放NO的聚合物材料能够用作对氧气敏感导管的涂层材料。这类涂层在维持设备功能性的前提下,能够显著减少设备的表面血栓的形成。Parzuchowski等37将阴离子型的聚丙稀酸酯类的diazeniumdi