¿Aplicaciones de los materiales anticoagulantes?

Investigación sobre la aplicación de películas poliméricas de deposición de plasma en materiales anticoagulantes médicos

Deposición de plasmas; material anticoagulante; >Investigación sobre membranas poliméricas utilizadas como materiales anticoagulantes sanguíneos

Liu Zhijing

(Profesor asociado, Departamento de Astronomía y Física Aplicada, Universidad de Ciencia y Tecnología de China, Hefei 230026)

Palabras clave deposición de plasma, película polimérica, materiales anticoagulantes sanguíneos

Este artículo presenta las aplicaciones médicas de los polímeros en contacto con la sangre y la definición de materiales compatibles con la sangre, y analiza las características y aplicaciones de la polimerización por deposición de plasma. de biopelículas, especialmente en materiales anticoagulantes.

1. Introducción

Algunos métodos de procesamiento de plasma, como deposición, polimerización, pulverización catódica, implantación de iones, limpieza y desinfección, etc., son tecnologías avanzadas prácticas y se utilizan ampliamente en microelectrónica. , películas, procesamiento de materiales y otros campos. Los métodos de polimerización y deposición química de vapor de plasma pueden modificar y recubrir las superficies de los materiales para mejorar la compatibilidad sanguínea de los biomateriales. Estos métodos son aplicables no sólo a materiales inorgánicos como metales, cerámicas y carbono, sino también a materiales poliméricos orgánicos. Los materiales poliméricos se utilizan ampliamente en medicina, pero también presentan algunas desventajas, como coagulación, inflamación, reacciones alérgicas, etc. Por lo tanto, cómo mejorar y potenciar las propiedades de los materiales (como la compatibilidad sanguínea y las propiedades anticoagulantes) para superar estas deficiencias sigue siendo una cuestión clave en la investigación básica y la preparación de materiales. En la fabricación de válvulas cardíacas, dispositivos de circulación sanguínea extracorpórea, existe una necesidad urgente de utilizar materiales anticoagulantes en vasos sanguíneos artificiales y otros dispositivos médicos en contacto con la sangre. La investigación sobre materiales anticoagulantes se considera un indicador importante del nivel de investigación de biomateriales. Fortalecer la investigación en esta área es de gran importancia para mejorar el estatus académico y la influencia de la ciencia de los biomateriales en el mundo [1]. Este artículo presenta las aplicaciones de los polímeros en contacto con la sangre, la definición de polímeros solubles en sangre, las características y aplicaciones de las membranas poliméricas y las propiedades de los materiales anticoagulantes.

2. Características de las películas poliméricas depositadas por plasma

Desde la década de 1950, los polímeros se han utilizado ampliamente en el campo médico. Los equipos de polímeros en contacto con la sangre incluyen: equipos de circulación sanguínea extracorpórea, catéteres, bolsas de sangre y catéteres para transfusiones de sangre, equipos de diálisis renal, equipos de eliminación y desintoxicación de plasma, válvulas cardíacas y trasplantes de vasos sanguíneos, etc. La aplicación de estos dispositivos está creciendo a un ritmo anual del 65.438+00% ~ 20%. En equipos de corta duración, el cloruro de polivinilo (PVC) es el más utilizado. Seguido del caucho de silicona y el polietileno. En aparatos de diálisis, celulosa y sus transformantes, poliamida, polipropileno, poliacrilonitrilo, poliéster, etc. Todos ellos son materiales básicos de membranas y materiales de tubos de fibra. Los injertos vasculares y las válvulas cardíacas comerciales están fabricados básicamente de poliéster, principalmente tereftalato de polietileno (Dacron) y politetrafluoroetileno (Teflón). A principios de la década de 1990, se desarrollaron ionómeros de poliuretano (poliuretanos) y materiales biopolímeros. De 1980 a 1990, la principal mejora en polímeros fue el uso de polímeros de grado médico, que no liberan componentes tóxicos ni carcinógenos, y sus productos de degradación no son tóxicos, son cancerígenos y no se acumulan en el cuerpo. La permeabilidad y resistencia mecánica de membranas y tubos de fibra en dispositivos de diálisis, así como la resistencia mecánica y propiedades de porosidad de injertos vasculares.

Aunque los polímeros se utilizan ampliamente, siguen siendo insatisfactorios. En primer lugar, algunos polímeros son menos plásticos (flexibles) mecánicamente que las paredes naturales de los vasos sanguíneos, lo que provoca turbulencias y reduce la diálisis, la actividad plaquetaria y la agregación [2,3]. En segundo lugar, algunos polímeros liberarán algunos aditivos, estabilizadores y partículas de plástico, lo que dañará la sangre. En tercer lugar, algunos productos de degradación de polímeros pueden provocar coagulación sanguínea. Estimular la respuesta inmune, respuesta celular, etc. Para superar las deficiencias mencionadas anteriormente, por un lado, en la práctica médica se utilizan fármacos auxiliares anticoagulantes de larga duración como la cumarina (antivitamina K) y, por otro lado, se hacen esfuerzos para investigar nuevos materiales que no Provoca coagulación y reacciones inmunes. Los materiales poliméricos de película delgada obtenidos mediante técnicas de polimerización y deposición por plasma tienen ventajas especiales. Estas películas pueden depositarse y formarse uniformemente en materiales con geometrías complejas e incluso espacios entre fibras. Se puede combinar con casi todos los materiales base, como metales, vidrio, cerámica, semiconductores, etc. , y tiene buena adhesión y altas propiedades de reticulación, lo que es difícil de sintetizar mediante métodos químicos generales [4-6]. Este tipo de polímero se puede utilizar como película aislante y película protectora, que puede aislar eficazmente componentes dañinos para los organismos vivos. Con el rápido desarrollo de la industria microelectrónica, la tecnología de procesamiento de plasma está cada vez más madura. Por tanto, la preparación y detección de películas poliméricas se ha vuelto relativamente completa. Las propiedades de esta película se pueden determinar mediante radiación infrarroja, resonancia magnética nuclear (RMN) y espectroscopia electrónica para análisis químicos. Dado que el plasma en sí tiene propiedades esterilizantes y desinfectantes, se reduce el coste del equipo médico.

Hay dos requisitos básicos para los biomateriales: (1) el biomaterial debe poder realizar con éxito su función prevista y (2) el biomaterial no debe producir efectos secundarios. Por lo tanto, las propiedades químicas, propiedades físicas, propiedades mecánicas, permeabilidad, degradabilidad, resistencia y flexibilidad de los biomateriales deben ser consistentes con las funciones esperadas. Los materiales médicos deben probarse de forma fiable y cuidadosa, y deben establecerse estándares de producción estrictos.

En tercer lugar, el rendimiento de los materiales anticoagulantes

Un requisito importante para los materiales implantados en cuerpos vivos es que sean compatibles con la sangre y no provoquen coagulación, toxicidad o reacciones inmunes.

Este material se llama hemocompatible. Los materiales poliméricos ideales compatibles con la sangre no deben tener las siguientes características:

(1) El polímero libera ciertos componentes o sus productos de degradación en la sangre, provocando coagulación sanguínea, inflamación, carcinogénesis y reacciones tóxicas.

(2) Los polímeros carecen de elasticidad mecánica, lo que provoca turbulencias en el flujo sanguíneo, lo que provoca actividad plaquetaria, reacciones inflamatorias y embolia sanguínea.

(3) Los polímeros pueden provocar reacciones inflamatorias e infección retardada;

Se puede observar que la compatibilidad sanguínea es una función multiparamétrica de las propiedades del polímero. En este sentido, casi nunca se han obtenido polímeros hemocompatibles ideales, y sólo se han obtenido algunos polímeros que cumplen con los requisitos de hemocompatibilidad. Por ejemplo, al utilizar polímeros de calidad médica, los componentes liberados y los productos de degradación del polímero no son tóxicos.

Las principales vías de coagulación sanguínea están relacionadas con las plaquetas, la hemoglobina y el fibrinógeno [7,8]. Las propiedades anticoagulantes de los materiales artificiales se refieren principalmente a: (1) afinidad por la sangre; (2) inhibición de la adhesión y agregación de plaquetas; (3) reacción de fusión biológica (4) formación de una superficie que simula tejido biológico [9]. El componente sanguíneo es principalmente agua y la compatibilidad sanguínea del material es en gran medida hidrófila. Las películas delgadas depositadas con plasma muestran ventajas únicas. Durante la acción del plasma, se produce una reacción química específica para formar una película de polímero y sus genes hidrófilos (como -OH, -COOH, etc.) a menudo quedan expuestos, lo que hace que la película muestre una buena hidrofilicidad. Esta cualidad es inherente al cine.

En los vasos sanguíneos normales, la agregación y liberación de plaquetas están en equilibrio dinámico, por lo que generalmente no se forma trombosis. Si la agregación excede la liberación, se formará un coágulo de sangre. Al depositar películas de polímero con plasma, la sangre fluye a través de la superficie de la película, el flujo laminar se acelera, las corrientes parásitas son menores y rara vez se observa un flujo estancado. La posibilidad de trombosis se reduce significativamente en comparación con los materiales sin tratamiento con plasma. La prueba de implantación en el gran anillo venoso de perros de experimentación mostró que la intensidad y la duración de la reacción de rechazo provocada por él también se redujeron.

La compatibilidad sanguínea de la membrana polimérica no incluye efectos tóxicos en los organismos vivos, como por ejemplo, ningún efecto tóxico en las células sanguíneas, ningún aumento en el consumo de plaquetas y una disminución a corto plazo de las plaquetas. Los experimentos que utilizaron el sistema de ramificación sin venas de los babuinos arrojaron resultados significativos. El modelo de rama venosa del babuino es un grupo de vasos sanguíneos de pequeño calibre que discurren casi en paralelo. En el experimento se implantaron vasos sanguíneos artificiales de politetrafluoroetileno entre dos vasos sanguíneos adyacentes. Forme un anillo de vasos sanguíneos artificiales en forma de U. La tasa de descomposición de las plaquetas marcadas en los vasos sanguíneos naturales y artificiales se puede medir mediante el método de rastreo de radioisótopos. Los resultados muestran que los vasos sanguíneos artificiales implantados tienen poco efecto sobre la descomposición de las plaquetas normales en los babuinos. La tasa de consumo de plaquetas en la superficie del material no tiene nada que ver con la tasa de flujo sanguíneo y el número total de plaquetas, y es sólo. linealmente relacionado con la longitud de los vasos sanguíneos artificiales. Se han obtenido resultados similares en experimentos con animales y humanos.

Cuatro. Materiales anticoagulantes

Los biomateriales artificiales no deben activar el proceso de coagulación, pero las superficies del material en contacto con la sangre deben inhibir el proceso de coagulación y prevenir la formación de coagulantes. Por lo tanto, los materiales anticoagulantes apropiados deberían ser catalizadores que inhiban la reacción de coagulación. Durante los 20 años transcurridos entre 1970 y 1990, se desarrollaron y utilizaron ampliamente diferentes tipos de tabletas anticoagulantes. Una tableta anticoagulante libera una sustancia llamada prostaciclina (PGI2), que evita que las plaquetas se agreguen y liberen, controlando así el proceso de coagulación. Sin embargo, es caro e inestable. En condiciones biológicas, su vida útil después de la hidrólisis es de sólo 1 minuto. Por tanto, este material biológico no tiene ningún uso práctico. Se puede preparar otro material anticoagulante añadiendo la tableta anticoagulante dipridamol a la superficie del polímero que está en contacto con la sangre. Por ejemplo, se puede añadir piridina [10] a fibra, diacetato de celulosa, nailon y polímeros de tereftalato * * *.

Cuando el material se implantó en perros, se demostró que el material tenía propiedades anticoagulantes eficaces. Los anticoagulantes con fuertes propiedades aniónicas se unen a la superficie de polímeros policatiónicos mediante enlaces iónicos para preparar materiales anticoagulantes [11]. Los polímeros policatiónicos se pueden preparar a partir de estireno y sus transformantes, celulosa, caucho de silicona, resina epoxi, poliuretano o transformantes de acrilonitrilo y ésteres acrílicos. El biomaterial libera anticoagulantes unidos iónicamente al torrente sanguíneo. La concentración de anticoagulante cerca de la superficie es lo suficientemente alta como para evitar la formación de coagulante durante varios días. Entonces la concentración de coagulante disminuye. Por lo tanto, este tipo de material sólo es adecuado para un uso a corto plazo. También se pueden utilizar geles poliméricos para preparar materiales anticoagulantes. Una capa de iones anticoagulantes atrapados en el gel previene la formación de coágulos sanguíneos [12, 13]. Rociar tromboplastina y quinasa sobre la superficie del PVC y el caucho de silicona puede mejorar en gran medida la compatibilidad sanguínea del material. Sin embargo, las enzimas inmovilizadas también pueden disociarse en la superficie de la sangre, lo que dificulta el uso a largo plazo de este material. Los materiales anticoagulantes se pueden preparar combinando anticoagulantes con superficies poliméricas. Por ejemplo, el hidrogel obtenido a partir de alcohol polivinílico se combina con un anticoagulante fijado en acetal [14], y el anticoagulante se combina con agarosa [15]. Los métodos comúnmente utilizados son la activación química del polímero o la activación por radiación, seguida de una reacción química con el anticoagulante. Por ejemplo, los grupos isocianato están fijados al poliestireno. El polímero formado reacciona entonces con el anticoagulante. Se utilizaron métodos similares para conjugar anticoagulantes con hidrogeles de alcohol polivinílico modificado, elastómeros, polímeros de metacrilato de poli-2-hidroxietil glicidilo o membranas de celulosa.

El tratamiento químico o radioquímico da como resultado la formación de grandes grupos, lo que a su vez conduce a la polimerización de los monómeros, y luego el anticoagulante se une al polímero con una valencia * * *. Las propiedades de superficie y la actividad genética anticoagulante de los anticoagulantes unidos en la valencia * * * se describen en la literatura [16].

El carbón activado se utiliza para la hemodiálisis desde hace casi 30 años, pero su desventaja es que el carbón puro liberado puede causar coagulación sanguínea y daño a las células sanguíneas. Pero después del tratamiento con plasma, el carbón activado puede mejorar la compatibilidad sanguínea. Después de utilizar el método de deposición de plasma para cubrir una capa de película HMDS sobre la superficie de las partículas de carbón activado, se confirmó mediante experimentos en columnas sólidas que utilizaron sangre de perro y sangre de oveja para infiltrar dos tipos de carbón activado. La membrana HMDS puede reducir eficazmente el daño de las células sanguíneas y la disminución de las plaquetas [20]. El método de deposición por plasma puede preparar películas de hidruro de carbono amorfo que contienen diferentes cantidades de átomos de flúor y silicio y tiene buena compatibilidad. Se puede observar una capa confluente de células en 2 días [21]. Esta membrana se puede utilizar como material de cultivo de tejidos cuando se recubre sobre polietileno y otros sustratos plásticos. El poliuretano médico y los antibióticos se pueden convertir en materiales compuestos con capacidades de liberación controlada de fármacos. Si se prepara utilizando tecnología de modificación de la superficie con plasma, la tasa de liberación del fármaco de este material compuesto se reducirá, prolongando así el tiempo antibacteriano. No afecta la resistencia mecánica y la flexibilidad del material [22]. El polimetilmetacrilato (PMMA) se utilizaba ya en los años 40 como material para lentes de contacto. Sin embargo, las deficiencias del PMMA (poca hidrofilicidad y mala permeabilidad al oxígeno) hacen que el usuario se sienta incómodo. Recubrir la superficie de la lente con una película de polímero de plasma generada a partir de acetileno, nitrógeno y agua puede mejorar la hidrofilicidad del material y reducir la adhesión entre la lente y las células epiteliales de la córnea. Después del tratamiento con plasma de oxígeno, los grupos funcionales que contienen oxígeno en la membrana aumentan y se mejora la afinidad con el oxígeno, mejorando así la transpirabilidad. Además, las membranas porosas de polipropileno se utilizan como portadores de absorción transdérmica de fármacos, y la hidrofilicidad de la superficie y la compatibilidad sanguínea se pueden mejorar después de la modificación de la superficie del plasma [23].

Las tecnologías de deposición, polimerización y procesamiento de plasma no solo se utilizan en materiales anticoagulantes, sino también en materiales oftálmicos (como lentes intraoculares), materiales ortopédicos, materiales orales, sistemas de administración de fármacos, materiales biosensores y materiales y Limpieza de superficies, desinfección y esterilización de dispositivos. En resumen, la tecnología de procesamiento y deposición de plasma muestra amplias perspectivas de aplicación en el campo de los materiales biomédicos.

Finalmente, comentamos brevemente algunas limitaciones de la aplicación de materiales poliméricos. En la década de 1970, la manifestación principal era la coagulación. En la década de 1990, los principales problemas fronterizos eran las reacciones inmunes causadas por los implantes de polímeros y el uso a largo plazo. Es decir, infección tardía, reacciones alérgicas, reacciones inflamatorias y calcificación del dispositivo. Los implantes de superficie rugosa y porosa conllevan un alto riesgo de infección. La inflamación está relacionada con la forma, las propiedades mecánicas y las propiedades químicas del dispositivo implantado. La anafilaxia es actualmente un área importante de investigación. El polimetilmetacrilato, los alambres metálicos, los clips, las suturas de nailon y los catéteres pueden provocar reacciones alérgicas y reacciones celulares [24]. El glucano y el celoglucano pueden provocar reacciones alérgicas. La investigación básica en el campo del sistema de coagulación requiere la cooperación de muchos expertos en química, química física, bioquímica, biología, física, medicina interna y cirugía.

Referencia

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25 Merritt K Biomaterials, 1984;5:11

¿También

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Un buen biomaterial anticoagulante no solo debe tener buenas propiedades químicas superficiales y propiedades mecánicas, También debe tener una buena biocompatibilidad (incluida la compatibilidad tisular y sanguínea). Para comprender las propiedades anteriores, es necesario caracterizarlas. Este artículo analiza la caracterización de biomateriales anticoagulantes desde tres aspectos: caracterización de la composición y estructura química de la superficie, caracterización de propiedades mecánicas y caracterización de biocompatibilidad.