可吸收止血材料的生物相容性研究进展
2016-09-15邓乐君樊鸿浩李伟达朱晋辉李茹冰1
邓乐君 樊鸿浩 李伟达 朱晋辉 李茹冰1,*
1(广州军区广州总医院药剂科,广州 510010)2(广东药学院中药学院,广州 510006)3(南方医科大学研究生院,广州 510515)
可吸收止血材料的生物相容性研究进展
邓乐君1,3樊鸿浩1,3李伟达1,2朱晋辉3李茹冰1,3*
1(广州军区广州总医院药剂科,广州 510010)2(广东药学院中药学院,广州 510006)3(南方医科大学研究生院,广州 510515)
可吸收止血材料是指用于伤口止血的可在体内降解吸收的生物医用材料,目前其在手术中止血发挥着重要作用。国内外近年来主要使用的可吸收止血材料包括壳聚糖、纤维蛋白原、α-氰基丙烯酸酯、氧化纤维素和胶原蛋白等,除止血效果外,其生物相容性正成为评价止血材料优劣的重要指标。在生物相容性的安全性和功能性原则指导下,对比它们在实验中的生物相容性结果,综合评价各类可吸收止血材料的生物相容性,为进一步研发良好生物相容性的可吸收止血材料以及日后的使用提供参考意见。
可吸收止血材料;生物相容性;安全性
引言
可吸收止血材料是指应用于伤口出血部位,通过加速血液凝固过程达到止血目的,在一定时间内能降解被人体吸收的医用材料[1]。在各类意外事故、突发灾难中,失血过多是导致死亡的主要原因,可吸收止血材料不仅能实现快速有效的止血,而且由于其可生物降解的特性,避免了止血后取出造成二次伤害,因此可吸收止血材料在外科手术中减少患者出血,缩短手术时间,改善预后都显示了一定的优势。近年来止血药物的进展推动了众多新型可吸收止血材料的研发,这类材料不仅需要具有良好的止血性能,还需要无细胞毒性、无免疫原性、不增加感染等良好的生物相容性,因此与传统的外用敷料相比,对可吸收止血材料的评价要求更高更全面更规范。
生物相容性是指生物医用材料与人体之间相互作用产生的各种生物、物理、化学反应的性质,包括组织相容性、力学相容性、血液相容性以及免疫相容性等方面,它是评价生物材料安全性与功能性的重要指标,也是生物材料研究中始终贯穿的主题[2]。根据医疗器械生物学评价ISO 10993系列标准或GBT16886系列标准中,通过进行生物材料的遗传毒性致癌性和生殖毒性试验、与血液相互作用试验选择、体外细胞毒性实验、植入后局部反应试验、刺激和致敏试验、全身毒性试验等生物安全性试验以及测定细胞粘附分子水平、细胞因子水平等生物功能性试验[3],正确反映生物材料在体内外对实验对象的影响,因此通过评价生物材料的生物相容性,有助于生物止血材料的研发和改进,也为其临床应用提供了可靠的参考依据。
目前市面上的可吸收止血材料主要包括纤维蛋白胶、壳聚糖、氧化纤维素和氧化再生纤维素、氰基丙烯酸酯组织胶等,已有相关文献分别报道了各类材料及产品的生物相容性研究。在本文中,回顾总结了各种可吸收生物止血材料生物相容性的研究进展,根据评价标准中部分实验方法,对比同类型材料或者不同类型材料之间生物相容性评价试验结果,分析并比较了它们的生物安全性,为完善可吸收止血材料的生物相容性提供了实验依据,也为日后医护人员使用不同类型的可吸收止血材料提供了参考。
1 壳聚糖类材料
壳聚糖是从甲壳类动物的外壳中提取甲壳素,经脱乙酰化后制备成的高分子物质,体内的代谢产物为葡胺糖,是一种无毒的可降解材料。壳聚糖带有正电荷,通过与红细胞发生凝集反应,刺激血小板及活化补体系统促进凝血从而达到止血的效果。市面上多种壳聚糖基材料的止血材料如Celox止血粉、Hemcon止血绷带、舒宁止血材料等在临床上均显示出良好的止血功效,壳聚糖的低成本和良好的生物相容性是其作为生物材料的优势[3]。宋福来等的研究表明,壳聚糖水凝胶对细胞生长无抑制作用,生物相容性良好[4]。
单纯的壳聚糖由于带有聚阳离子,与带负电荷的红细胞作用,导致细胞膜破裂溶血,因此血液相容性差[5],而修饰后的壳聚糖则具有更好的生物相容性。目前常用的修饰方法为引入负电、亲水或疏水基团或者与血液相容性较好的材料共混[6-7]。Zhe等把聚乳酸连接到壳聚糖氨基上得到材料PCLA,其降解时间比壳聚糖快,在其作用下细胞生长优于壳聚糖,因此生物相容性比单纯壳聚糖好[8]。田昆仑等合成的异丁基壳聚糖在大鼠背部创伤模型中的闭合指数和局部肌组织羟脯氨酸含量均高于对照组,表明其对肌肉组织无毒副作用,符合生物相容性中的安全性原则[9]。陈浩凡等把亲水性的羧甲基引入壳聚糖,它的降解速度随取代度而改变,因此可以通过控制取代度得到与医学性能相匹配羧甲基壳聚糖[10]。马茂等研究发现壳聚糖-类人胶原蛋白导致的兔肝细胞肿胀、空泡变性及坏死程度均轻于明胶海绵,表明其与肝脏组织有较好的组织相容性[11]。
尽管在各种生物相容性对比研究中壳聚糖均显示出一定的优势,但它在组织中引发的炎症反应仍然值得注意。Wang和Abdalbari等研究中分别在兔子和大鼠体内植入壳聚糖海绵和胶原海绵,8周后壳聚糖海绵未完全降解而且肌肉炎症反应较强烈,其组织相容性不优于胶原海绵[12-13]。相关实验反映了此类材料容易引起炎症、溶血的缺点,提示部分壳聚糖产品组织及血液相容性不及其它产品。但壳聚糖力学相容性良好,所以对于其生物相容性的优劣评价仍有待商榷。
2 α-氰基丙烯酸酯类材料
α-氰基丙烯酸酯组织胶属于化学反应型胶黏剂,其作用机制是α碳原子上有高负电性的基团,受弱碱的进攻后快速引发阴离子聚合,能吸附机体蛋白质的正电基团,从而迅速粘合生物体组织达到止血目的。α-氰基丙烯酸酯组织胶可在人体内降解,遇水即可降解为甲醛、小寡聚体和其他产物,无免疫原性。目前已开发了α-氰基丙烯酸正丁酯、异丁酯、正辛酯等一系列医用粘合剂[14],α-氰基丙烯酸正辛酯是其中止血效果和生物相容性较好的材料[15-16]。Montanaro等研究证明了两种氰基丙烯酸盐类粘合剂Glubran和Glubran2对细胞无毒性,且使红细胞的溶解数较少,表明它们的血液相容性较好,两者生物相容性无显著差别[17]。Andrés等对α-氰基丙烯酸正丁酯与传统的皮肤缝合进行了比较,与皮肤缝合相比,它能减少多核细胞的增生,使成纤维细胞增生较多,其有较好的生物相容性[18]。Lee等发现聚α-氰基丙烯酸酯粘合剂PACA对细胞毒性小,与已上市的Dermabond(2-氰基丙烯酸正辛酯)相比无显著性差异,表明其为一种生物相容性良好的新型粘合剂[19]。尽管α-氰基丙烯酸酯类材料因其生物相容性较好而得到应用,但仍存在不同程度的生物安全性问题[20],如α-氰基丙烯酸异辛酯的降解产物为有组织毒性的甲醛,可造成各种炎症反应,材料聚合的碳碳主链在体内难以降解容易导致炎症[21],柔韧性不佳等,因此结构改造是目前提高此类化学材料的生物相容性的重要途径。
3 胶原蛋白类材料
胶原蛋白是一种高拉伸强度、生物相容性好和低细胞毒性的生物材料,它通过与血小板结合,促进血小板集聚形成血栓或者直接激活内源性凝血途径产生凝血作用,从而止血[22]。胶原蛋白进入宿主体内能成为宿主组织的一部分,与细胞周围基质有着良好的相互作用[23]。目前已知的胶原蛋白类型有29种,生物材料中使用得最多的为Ⅰ型胶原,其C、N末端区域的一个端肽结构保留了主要的免疫原性,提取后仍保留微弱的免疫原性[24],不同类型胶原蛋白的免疫原性取决于聚合过程中抗原决定簇的数量[25]。
医用胶原蛋白主要来源于猪、牛或马的跟腱,有文献报道牛胶原蛋白容易引起局部过敏和免疫反应,但是抗体产生的意义不明确[26]。冯玉萍等在实验中细胞发现牛胶原蛋白海绵上生长良好,无细胞毒性,表明其具有很好的细胞生物相容性[27]。迟妍妍等在新西兰白兔肌肉内植入胶原蛋白海绵,海绵第4周开始降解,第12周降解75%左右;但植入2周后局部组织出现异物刺激及炎症反应,最后植入部位未见组织坏死,表明胶原蛋白海绵具有良好的生物相容性及降解性能[28]。Duan等将类人胶原蛋白海绵和市售的胶原蛋白海绵植入兔肝脏,类人胶原海绵完全降解,肝脏组织未见病变,无炎症反应,而市售胶原蛋白海绵大部分降解,肝脏组织发生明显改变,肝脏细胞受到了破坏[29]。可见类人胶原蛋白海绵生物相容性优于动物源性胶原海绵,提示动物源性胶原蛋白的生物相容性仍有待研究。
胶原蛋白可促进肉芽组织生成,激活巨噬细胞吞噬功能,提高机体免疫活性,在止血、生物学方面有明显优势。虽然胶原蛋白类材料在临床上出现发热、嗜酸性粒细胞增多、皮肤过敏等不良反应[30],但它在材料领域仍有着重要的价值。目前已开发了大量有前景的胶原基生物材料[31-35],如凝血酶和胶原蛋白海绵联用的止血材料、含有壳聚糖和胶原的复合材料、基质中搭载庆大霉素、生长因子等药物以及结合其他材料和静电纺丝技术制造的仿生材料等。
4 纤维蛋白类材料
纤维蛋白类止血材料的主要成分为纤维蛋白原和凝血酶,材料中的凝血酶激活纤维蛋白原形成纤维蛋白凝块,覆盖在伤口表面形成封闭作用,达到止血的目的。纤维蛋白类止血材料不依赖人体凝血功能而止血,适用于有凝血障碍的患者使用。与合成黏胶剂相比,血浆来源的纤维蛋白类止血材料具有更好的生物相容性,不引起炎症反应、组织坏死和纤维变性等[36]。Kram等在狗脾脏创伤模型中使用纤维蛋白封闭剂,6周后伤口处纤维组织再生良好,没发生炎症反应,局部和系统相容性好[37]。Kjaergard在猪肺漏气模型中使用纤维蛋白封闭剂,早期可见细胞渗出物,7 d后纤维细胞增生,21 d后血凝块开始吸收,可见纤维蛋白胶生物相容性较好,在细胞生长中可起到支架作用[38]。苏怡等对医用生物蛋白胶从细胞毒性、皮内刺激、皮肤致敏等方面进行检测[39]。小鼠L929成纤维细胞生长良好,兔皮肤无红斑、水肿现象出现,对皮肤无刺激作用,表明其安全性良好。
国外的纤维蛋白类材料多为人血来源,猪源性材料中的纤维蛋白原属于异种蛋白,存在诱发免疫反应的可能,王春仁等在医用纤维蛋白胶亚急性毒性实验研究中表明蛋白胶浸提液会导致大鼠脾脏肿大、充血及中心淋巴细胞增生,提示医用纤维蛋白胶可能有潜在的免疫毒性[40]。蔡阳等对纤维蛋白胶的主要成分纤维蛋白原进行免疫原性研究,猪纤维蛋白原可诱发兔一过性抗体,对小鼠表现出明显的免疫原性[41]。但目前对人的免疫原性研究还没有相关报道,临床上的生物相容性有待研究。部分商品的纤维蛋白类止血材料含有的牛凝血酶,使用后患者体内产生抗体蛋白,当再次使用后产生免疫反应,抗体与人凝血因子发生交叉反应,导致患者发生凝血障碍[42-43],免疫相容性较差,因此谨慎使用含牛凝血酶的产品。由于猪与人的MHC基因序列高度同源,理论上猪纤维蛋白原与人的生物相容性较好,临床中未发现猪源性纤维蛋白原类生物止血材料的严重免疫反应报道。人源性的纤维蛋白材料生物相容性最好,不会引发免疫反应,但是人血制品仍存在病毒感染的风险。
表1 主要可吸收生物止血材料的生物相容性比较
5 含羧基氧化纤维素和氧化再生纤维素类材料
氧化纤维素是一种棉纤维上的羟基被氧化成羧基的均匀网孔结构的止血材料,它通过羧基与血红蛋白中Fe2+结合,形成棕色粘性胶块,封闭毛细血管末端而止血,氧化再生纤维素与氧化纤维素止血机制相同,它们的生物相容性与纤维素中的羧基含量和聚合度有关。王丽等对自制的氧化纤维素进行生物学性能评价[44]。将其和市面上已有的Surgical产品植入兔背部,羧基含量为16.5%~18.5%的氧化纤维素和Surgical第6 d部分降解,第9 d完全降解,表明该材料与Surgical具有较一致的生物降解性和生物相容性。但在Farzad的研究中,发现Surgical在肝脏手术应用后出现胆汁渗出、感染、肝周脓肿和巨大血肿等并发症[45]。与TachoSil比较,Surgical生物相容性较差。有文献报道Surgical产品在心脏手术数年后仍有残留形成脓肿[46],因此氧化纤维素虽然在体内可降解吸收,但相关文献报道使用后容易出现炎症、脓肿等并发症,生物相容性不及生物源性的止血材料,因此使用时需控制到最低量,而且止血后应尽快清除纤维残留。氧化纤维素的改造修饰也是合成类止血材料研发重要方向,生物相容性的评价结果也决定着此类材料的改良方向,有助于研发安全性更好的氧化纤维素类止血材料。
6 其他类型止血材料
黄赤兵等将制备的一种多孔止血淀粉(PHS)埋植入鼠体内,对肝脏和肾脏功能进行检测,以及进行血液指标检测及组织形态学观察[47]。实验数据表明其对小鼠肝肾功能及血液系统均无影响,免疫球蛋白检测正常,止血淀粉在体内2 d即可被吸收完全,降解成二糖被组织吸收,不引起组织粘连,生物相容性优于已上市的Arista止血粉。姜丽娟等对可吸收多糖微球进行皮内反应试验、致敏实验、全身急性毒性试验和植入实验[48]。结果表明该材料无致敏作用和急性毒性反应,植入肌肉后组织周围有少量嗜中性粒细胞浸润,有纤维母细胞增生和胶原纤维形成,未见炎症细胞,植入可降解,与进口同类产品对比,生物相容性良好。还有海藻酸钙纤维、微纤维胶原和胶原纤维网、明胶[49-50]等止血材料,其生物相容性研究结果都较好,但使用时推荐止血后去除多余部分,尽量少残留,避免造成血栓。
7 结语
在众多的研究中,可吸收生物止血材料在止血性能和生物相容性上均优于传统止血方法,对于快速止血、创伤急救以及预后有重要的意义。但是目前对于可吸收止血材料的生物相容性评价还没完善,国内缺乏统一的产品标准和上市指导原则,而国外已经形成了从细胞水平到整体动物的较完整的评价框架,国际标准化组织ISO以10993编号发布了17个相关标准,对生物学的评价方法也进行了标准化,包括接触时间、细胞毒性、是否植入、血液相容性、生物降解等生物学评价试验,使评价方法从整体动物和细胞水平深入到分子水平,有利于整体对比和评价活性材料与非活性材料。因此完善可吸收止血材料生物相容性的安全性原则和功能性原则,有利于准确地从各方面评价止血材料的生物相容性,为医护人员在临床试验中提供参考,同时在临床上选择使用止血材料时提供指导性意见,也有利于促进更多生物相容性好的止血材料的研发。
本文综述了各类可吸收止血材料的生物相容性实验研究,并大概比较了不同材料的生物相容性优劣,详见表1,生物源性的止血材料生物相容性较好,但有免疫原性的风险,如胶原蛋白类材料在原料处理时容易使抗原暴露导致免疫原性增强,而且炎症反应为其主要副作用,纤维蛋白类材料使用动物源性原料容易因为交叉免疫导致凝血障碍,但其材料的同源性高使其生物相容性在各类材料中最好。合成类止血材料的生物降解性能可通过修饰改造调控,但较易导致并发症,α-氰基丙烯酸酯类、氧化纤维素类等材料均要求必要时移除干净,避免成为异物残留。
还有其他类型的止血材料,如琥珀酰亚胺酯类粘合剂、贻贝粘蛋白粘合剂、明胶、可吸收多糖微球等材料均取得了肯定的生物相容性评价,但国内生物材料生物相容性评价标准的不完善导致临床前和临床相关数据的缺乏,既增加了此类材料审评时的难度,同时造成了研发资源的浪费,很大程度上限制了新型止血材料的研发。相信随着有关生物相容性评价标准的不断完善与提高,科学合理的评价体系的建立,在更完整的技术要求中能研发出更多各类型的止血材料,更好地保障公众健康。
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Progress in the Study on Biocompatibility of Absorbable Hemostatic Materials
Deng Lejun1,3Fan Honghao1,3Li Weida1,2Zhu Jinhui3Li Rubing1,3*
1(DepartmentofPharmacy,GuangzhouGeneralHospitalofGuangzhouMilitaryCommandofPLA,Guangzhou510010,China)2(GuangdongPharmaceuticalUniversity,Guangzhou510006,China)3(GraduateSchool,SouthernMedicalUniversity,Guangzhou510515,China)
Absorbable hemostatic materials are one of biomedical materials that applied to stanch bleeding. They are degradable in vivo and play an important role in the surgical hemostasis. In recent years, absorbable haemostatic materials mainly include chitosan, fibrinogen, cyanoacrylates, oxidized cellulose, collagen. Except for hemostatic effect, the biocompatibility is also an important feature for the quality of these materials. In this article, we made a comprehensive evaluation among the absorbable hemostatic materials under the guidance of safety and efficacy of biocompatibility, aiming to provide a valuable reference for the utility and development of absorbable hemostatic materials in further research.
absorbable haemostatic materials;biocompatibility;safety
10.3969/j.issn.0258-8021. 2016. 02.016
2015-09-14, 录用日期:2015-11-27
广东省产学研专项(2012B091100170);广东省科技计划项目(广东省重大科技专项)(2012A080204010);广州市科技计划项目(201509010012);重大新药创制(2013ZX09J13110)
R318
A
0258-8021(2016) 02-0241-06
*通信作者(Corresponding author), E-mail:lrb90927@126.com