近期首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院吉訓(xùn)明教授和北京大學(xué)鄭玉峰教授在科愛出版社創(chuàng)辦的期刊Bioactive Materials上聯(lián)合發(fā)表研究文章：介入導(dǎo)管表面絲素蛋白/硅基微球復(fù)合隔熱涂層的構(gòu)建及其在腦靶向低溫中的應(yīng)用研究。創(chuàng)新將生物隔熱涂層引入介入導(dǎo)管表面改性領(lǐng)域，利用氣壓噴涂技術(shù)，在導(dǎo)管表面構(gòu)建生物安全的高孔隙率、強(qiáng)力結(jié)合的微米復(fù)合隔熱涂層，以提高低溫灌注液降溫效率。
研究?jī)?nèi)容簡(jiǎn)介
腦卒中是我國(guó)成年人致死、致殘的首位病因。血管內(nèi)靶向低溫技術(shù)可有效改善腦卒中患者臨床預(yù)后，是最有效的神經(jīng)保護(hù)方法之一，臨床應(yīng)用前景好。其中，低溫導(dǎo)管作為該領(lǐng)域的重要高值耗材，國(guó)家臨床需求重大。然而臨床所用低溫導(dǎo)管，多為神經(jīng)介入導(dǎo)管，不是專為低溫灌注治療設(shè)計(jì)，導(dǎo)管管壁多為金屬網(wǎng)增強(qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)，導(dǎo)熱系數(shù)與血液相近。導(dǎo)管壁隔熱性能差，導(dǎo)致管內(nèi)低溫灌注液與人體產(chǎn)生熱交換，降低了低溫治療效率。因此，導(dǎo)管壁隔熱性能差成為制約該技術(shù)臨床轉(zhuǎn)化推廣的主要因素。
針對(duì)上述瓶頸問題，本研究選取導(dǎo)熱系數(shù)低、血液相容性與成膜性好的絲素蛋白為成膜材料，以硅基氣凝膠顆粒為隔熱填料(結(jié)構(gòu)），利用氣壓噴涂技術(shù)，聯(lián)合多巴胺自聚合與等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)，在導(dǎo)管表面成功構(gòu)建絲素蛋白基“界面-隔熱-保護(hù)”隔熱涂層體系。
圖1.血管內(nèi)靶向低溫腦保護(hù)技術(shù) (A),導(dǎo)管內(nèi)低溫灌注液與導(dǎo)管外血液熱交換示（B）,氣壓噴涂設(shè)備(C)和“界面IL-隔熱TL-保護(hù)PL”隔熱涂層體系示意圖
一、傳熱模型構(gòu)建與計(jì)算分析
通過傳熱學(xué)基礎(chǔ)理論分析，獲得最優(yōu)隔熱性能微納米多孔隔熱涂層結(jié)構(gòu)。介入導(dǎo)管在傳輸?shù)蜏匾后w時(shí)，熱量從導(dǎo)管外常溫血液通過熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)傳遞至導(dǎo)管壁面，在壁面內(nèi)部進(jìn)行熱傳導(dǎo)和熱擴(kuò)散后傳遞至導(dǎo)管內(nèi)低溫液體，生物相容隔熱涂層可降低管壁有效導(dǎo)熱系數(shù)，提升熱阻，從而降低導(dǎo)管出口灌注液升溫幅度。
假設(shè)所有的空心微球具有相同的直徑和殼體厚度，殼體厚度均勻且表面光滑，按照簡(jiǎn)單立方體排列，進(jìn)行空心球體導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算。由于簡(jiǎn)單立方體排列的對(duì)稱性且導(dǎo)熱系數(shù)是材料的固有屬性，根據(jù)傅里葉傳熱公式，計(jì)算單元的有效導(dǎo)熱系數(shù)。同等孔隙率下，當(dāng)空心微球的尺寸在微米以下時(shí)，由于氣體導(dǎo)熱系數(shù)受克努森效應(yīng)的影響顯著，微球直徑變小，單元有效導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)降低；當(dāng)微球尺寸在微米以上時(shí)，克努森效應(yīng)影響很小，可以認(rèn)為單元導(dǎo)熱系數(shù)變化較小。由于二氧化硅在組分中具有最高的導(dǎo)熱系數(shù)，殼體厚度的增加和接觸直徑的增加都會(huì)導(dǎo)致其傳導(dǎo)的熱量更多，因而不利于單元有效導(dǎo)熱系數(shù)的降低。同時(shí)通過計(jì)算可知， “大小”球堆疊結(jié)構(gòu)的熱通量小于單一尺寸球體堆疊結(jié)構(gòu)。
圖2 隔熱涂層內(nèi)多孔微球堆疊結(jié)構(gòu)與傳熱云圖(A)；單一尺寸與雙尺寸微球堆疊結(jié)構(gòu)涂層熱通量云圖(B);不同涂層厚度下導(dǎo)管出口溫度模擬結(jié)果(C)
二、涂層制備與隔熱性能評(píng)估
圖3 隔熱涂層制備流程圖(A)；微米空心球與涂層掃描電鏡形貌照片(B)；與裸導(dǎo)管相比，不同涂層厚度下導(dǎo)管出口溫度差值(C)；涂層隔熱性能示意圖(D)
為確保導(dǎo)管涂層在脈動(dòng)血流中的力學(xué)穩(wěn)定性和隔熱效果，建立由界面層、隔熱層和保護(hù)層組成的絲素蛋白基隔熱涂層系統(tǒng)。針對(duì)界面層，利用“生物粘合劑”聚多巴胺粘附機(jī)理，對(duì)導(dǎo)管表面進(jìn)行多巴胺自聚合預(yù)處理，其包含的兒茶酚基團(tuán)能夠與其它物質(zhì)形成氫鍵、金屬配位化合物或氫醌電荷轉(zhuǎn)移配合物，提高涂層與基底結(jié)合力。針對(duì)隔熱層，氣壓噴涂技術(shù)，采用絲素蛋白/硅基微米空心球制備隔熱涂層。針對(duì)防護(hù)層，利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)在涂層外表面制備Parylene-C膜層。其中絲素蛋白是一種從家蠶(Bombyx mori)中提取的天然共聚物，主要由甘氨酸、丙氨酸、絲氨酸和酪氨酸組成，其二級(jí)結(jié)構(gòu)包括β-折疊、β-轉(zhuǎn)角、α-螺旋和無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)等。絲素蛋白內(nèi)氨基酸(絲氨酸/酪氨酸)側(cè)鏈(-OH/-NH2)可與基底間形成氫鍵或配位鍵，在生理環(huán)境下具有較強(qiáng)的粘合強(qiáng)度，是理想的成膜材料；對(duì)涂層處理誘導(dǎo)形成β-折疊結(jié)構(gòu)，可提高涂層結(jié)合力和彈性模量，但降低了其延展性。
三、低溫隔熱導(dǎo)管體外模擬實(shí)驗(yàn)
圖4 腦靶向低溫體外模擬平臺(tái)照片(A)和局部照片(B)；導(dǎo)管出口溫度(C)、大腦中動(dòng)脈溫度(D)、主動(dòng)脈弓溫度(E)、輸出制冷功率(F)、灌注體積(G)與血液稀釋率(H)
構(gòu)建符合人體神經(jīng)介入路徑真實(shí)血管分布的體外模擬低溫測(cè)試平臺(tái)，隔熱導(dǎo)管從股動(dòng)脈介入并放置在頸總動(dòng)脈處。采用熱電偶K型多通道溫度測(cè)試儀測(cè)量模擬血管內(nèi)和導(dǎo)管的各個(gè)溫度，具體如下：股動(dòng)脈處低溫模擬血液的入口溫度T0，模擬人體核心溫度主動(dòng)脈弓處溫度T1，隔熱空腔導(dǎo)管的出口溫度T2，靶向腦組織處動(dòng)脈（大腦中動(dòng)脈，MCA）血管的溫度T3。與對(duì)照組相比，隔熱導(dǎo)管出口溫度低，實(shí)現(xiàn)了對(duì)MCA處更有效的降溫。
圖5 體外生物相容性分析。HUVEC, HSMC 與 RAW 264.7 細(xì)胞熒光染色照片(A)和細(xì)胞增殖率(B),以及血液相容性分析(C)
采用間接接觸法評(píng)估涂層細(xì)胞相容性，經(jīng)過Parylene C涂層修飾后，隔熱涂層細(xì)胞相容性提高，與陰性對(duì)照組相比結(jié)果無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。所制備導(dǎo)管涂層溶血率均顯著低于ISO 5%標(biāo)準(zhǔn)。
圖6 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)裝置與流程示意圖(A)，DSA影像照片(B)，導(dǎo)管出口處灌注液溫度與同側(cè)耳溫(C)，頸總動(dòng)脈切片HE染色(D)與降溫速率對(duì)比(E)
采用健康豬動(dòng)物模型驗(yàn)證隔熱導(dǎo)管的安全性與降溫有效性。試驗(yàn)表明，與臨床用導(dǎo)引導(dǎo)管相比，隔熱導(dǎo)管（涂層厚度75 μm）出口處溫度低1.8~2.0℃。涂層材料與頸動(dòng)脈血管壁生物相容性好。
本研究將絲素蛋白隔熱涂層理念引入血管內(nèi)介入導(dǎo)管表面改性領(lǐng)域，豐富了絲素蛋白基復(fù)合材料微觀組織結(jié)構(gòu)與其隔熱/力學(xué)性能關(guān)系的作用機(jī)制理論，拓展了天然生物蛋白高分子復(fù)合涂層的應(yīng)用領(lǐng)域。一方面，解決介入導(dǎo)管管壁隔熱性能差的問題，推動(dòng)血管內(nèi)低溫腦保護(hù)技術(shù)臨床轉(zhuǎn)化；另一方面，該涂層構(gòu)建技術(shù)在新生兒缺氧性腦病、心臟驟停患者腦部缺血缺氧以及重度顱腦損傷患者亞低溫治療領(lǐng)域、體外膜肺氧合用導(dǎo)管系統(tǒng)、腹腔熱灌注治療和肝臟介入熱化療等領(lǐng)域均具有潛在應(yīng)用價(jià)值。
