根據《柳葉刀》最新公布的報告“1990-2017年全球、區域和國(guó)家慢性腎髒病負擔：2017年全球疾病負擔研究的系統分析”指出，截至2017年，全球慢性腎髒病患者人數達6.975億，其中中國(guó)腎病人數達1.323億，患病率高達10%。中國(guó)在2014年的終末期腎髒病人（ESRD）患者接近200萬人，按照美國(guó)腎髒病數據系統統計數據中慢性腎病最後(hòu)發(fā)展爲ESRD的比例1.5%進(jìn)行推算，到2030年將(jiāng)達到315萬人這(zhè)一驚人的數字。ESRD患者需要終身進(jìn)行透析以維持正常的生活需求，但是受各種(zhǒng)因素的影響，中國(guó)ESRD患者接受血液透析治療的比例僅爲15%左右，遠低于全球治療率37%。随著(zhe)醫保覆蓋率以及儀器普及率的提高，中國(guó)血透治療的患者數量持續增長(cháng)，成(chéng)爲極具潛力的藍海市場，有望達到千億規模。目前，國(guó)内高端血液透析器市場主要被(bèi)德國(guó)費森尤斯、美國(guó)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于“卡脖子”的材料與技術，研發(fā)具有自主知識産權以及市場競争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(zhǒng)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(fā)凝血瀑布導緻血栓在透析膜表面(miàn)形成(chéng)，進(jìn)而導緻膜孔堵塞、膜通量大幅度衰減、毒素清除率降低；并且也會引發(fā)體内補體活化，使血液透析膜受到人體免疫系統的攻擊。在臨床應用中，通常需要注射肝素（未分級肝素或者低分子量肝素）以抑制透析器内血栓的形成(chéng)。但是肝素的代謝困難，這(zhè)對(duì)于一些出現出血症狀的病人是不适用的，并且長(cháng)期注射肝素還(hái)會導緻血小闆減少症、高鉀血症、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(fā)展趨勢。
中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所劉富研究員團隊自2014年就開(kāi)始進(jìn)行透析膜方面(miàn)的系統研究，已經(jīng)通過(guò)膜表面(miàn)多巴胺固定肝素（Journal of Membrane Science 2014, 452, 390-399）、膜表面(miàn)兩(liǎng)性離子化（Journal of Membrane Science 2015, 475, 469-479）、表面(miàn)親水化（ACS Biomaterials Science & Engineering, 2016, 2 (12), 2207-2216）、膜表面(miàn)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，揭示了膜表面(miàn)抗蛋白吸附和類肝素抗凝分子抑制凝血瀑布效應的機理，如圖1所示。在此基礎上，發(fā)展了系列抗凝塗層策略，在國(guó)内外率先實現了自抗凝透析器的制備，對(duì)于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。
1）界面(miàn)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(chéng)，膜絲的内徑通常小于200 μm，在微米級的限域通道(dào)内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(guò)物理共混或者化學(xué)接枝的方式實現材料抗凝性能(néng)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複雜性和不可控性，使得這(zhè)些研究工作限制在平闆膜上開(kāi)展。針對(duì)該問題，研究團隊發(fā)展了一種(zhǒng)基于微孔膜的Top-down遷移及界面(miàn)交聯功能(néng)化策略（Journal of Membrane Science 2016, 520, 769-778，Journal of Membrane Science 2016, 513, 166-176），實現了抗凝分子在微孔膜表面(miàn)的修飾，進(jìn)一步地通過(guò)可控聚合技術合成(chéng)了具有親水基團（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(guò)微流控技術實現抗凝聚合物在透析器限域通道(dào)内的均勻分布，及界面(miàn)交聯固定，最終通過(guò)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(fā)表在Journal of Membrane Science 2018, 563, 115-125。
2）基于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淨。因此，爲了減少改性過(guò)程中的有機溶劑或化學(xué)分子殘留，使用綠色環保溶劑以及減少改性過(guò)程中化學(xué)單體的使用量是極爲有效的解決方式。常見的血液透析器多爲高分子材質（如聚砜），其疏水特性很容易吸附血液中的蛋白質從而引發(fā)凝血瀑布産生血栓。研究團隊通過(guò)自由基聚合的方式合成(chéng)了一種(zhǒng)兩(liǎng)親性聚合物聚（甲基丙烯酸月桂酯-對(duì)苯乙烯磺酸鈉-丙烯酸）（P(LMA-SSNa-AA)），帶有長(cháng)烷基疏水側鏈。兩(liǎng)親性聚合物可很好(hǎo)地分散于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内部循環，利用膜材料疏水吸附特性將(jiāng)類肝素改性物質均勻吸附在透析膜内表面(miàn)。這(zhè)種(zhǒng)改性方式操作簡單，改性體系組成(chéng)簡易，減少了有機溶劑參與，同時實現了透析器血液相容性的改善，對(duì)于後(hòu)續的工業化生産和實際應用具有重要意義。相關工作發(fā)表于Journal of Membrane Science，2020, 595, 117593。
3）界面(miàn)植入凝膠制備自抗凝透析器：爲了實現改性過(guò)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(jiāng)抗凝凝膠皮層通過(guò)界面(miàn)植入的方式均勻地固定在中空纖維限域通道(dào)内，如圖2所示。整個改性過(guò)程基于水體系，完全避免了透析器在清洗過(guò)程中的有機溶劑殘留。基于對(duì)血液凝血級聯反應的進(jìn)一步理解，研究團隊將(jiāng)海藻酸鈉和丙烯酸合成(chéng)了一種(zhǒng)富含羧酸鹽的改性聚合物，其抗凝機理不同于類肝素物質，對(duì)于膜材料表面(miàn)的親水性提高顯著，并且能(néng)夠螯合血液中的鈣離子以阻斷凝血瀑布。不僅能(néng)夠提高透析膜的抗凝性能(néng)，對(duì)于抑制補體活性，防止免疫系統的激活同樣(yàng)具有十分優異的表現。偶氮二異丁腈（AIBN）爲羧酸聚合物與基體材料的結合提供了連接點，通過(guò)控制AIBN的分布和植入量實現羧酸凝膠皮層的可控分布和厚度可控。該項工作已發(fā)表于Journal of Membrane Science, 2020, 604, 118082.。
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(duì)改性透析器的抗凝時間做了相關測試。基于羧酸根和磺酸根的類肝素改性透析器的APTT>600s，基于羧酸根改性的透析器的APTT>360s；TT的時長(cháng)相對(duì)于血漿也延長(cháng)了數倍，證明改性之後(hòu)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了自抗凝透析器具有低的補體活性（C3a和C5a），基于實驗室條件的限制，團隊使用血漿和全血證明了改性透析器具有優異的血液相容性。爲了進(jìn)一步證明自抗凝透析器在臨床具有實際應用價值，團隊采用了由浙江中醫藥大學(xué)附屬醫院提供的腎髒衰竭的豬模型（尿素氮（BUN>6mmol/L）分别對(duì)上述的改性透析器進(jìn)行時長(cháng)爲1h的少/無肝素透析實驗，如圖3所示，對(duì)透析過(guò)後(hòu)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(jìn)行測量，進(jìn)行毒素清除率的計算。通過(guò)動物透析實驗表征，三種(zhǒng)改性透析器在減少肝素注射量或者不注射肝素的情況下都(dōu)順利完成(chéng)了透析過(guò)程，與未改性透析器相比，改性透析器的外表面(miàn)“挂血”現象得到了明顯改善，并且中空纖維内表面(miàn)殘留的蛋白質和血栓數量也有顯著減少，如圖4所示。由于改性透析器親水性的提高，三種(zhǒng)改性透析器對(duì)于小中分子毒素的清除率得到了明顯提高。關于三種(zhǒng)改性透析器的性能(néng)對(duì)比和差異數據已經(jīng)發(fā)表于《膜科學(xué)與技術》，2020, 40(1):84-92。
上述研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金（51973230）、浙江省傑出青年科學(xué)基金（LR20E030002）、浙江省高層次人才青年拔尖（ZJWR0108020）、中國(guó)科學(xué)院青年創新促進(jìn)會優秀會員（Y201848）、甯波科學(xué)技術局（2017C110034，2014B81004）的資助支持。
圖1 體外循環中空纖維膜内壁凝血/抗凝機制示意圖
圖2 通過(guò)界面(miàn)植入凝膠方式制備自抗凝透析器
圖3 動物透析實驗流程示意圖
圖4 動物透析實驗結束後(hòu)三種(zhǒng)改性透析器與未改性透析器的外表面(miàn)挂血現象以及内表面(miàn)血栓粘附對(duì)比
（高分子事(shì)業部 劉富 柳楊）
