根據(jù)《柳葉刀》最新公布的報告“1990-2017年全球、區(qū)域和國家慢性腎臟病負擔：2017年全球疾病負擔研究的系統(tǒng)分析”指出，截至2017年，全球慢性腎臟病患者人數(shù)達6.975億，其中中國腎病人數(shù)達1.323億，患病率高達10%。中國在2014年的終末期腎臟病人（ESRD）患者接近200萬人，按照美國腎臟病數(shù)據(jù)系統(tǒng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)中慢性腎病最后發(fā)展為ESRD的比例1.5%進行推算，到2030年將達到315萬人這一驚人的數(shù)字。ESRD患者需要終身進行透析以維持正常的生活需求，但是受各種因素的影響，中國ESRD患者接受血液透析治療的比例僅為15%左右，遠低于全球治療率37%。隨著醫(yī)保覆蓋率以及儀器普及率的提高，中國血透治療的患者數(shù)量持續(xù)增長，成為極具潛力的藍海市場，有望達到千億規(guī)模。目前，國內(nèi)高端血液透析器市場主要被德國費森尤斯、美國金寶、日本尼普洛等占據(jù)。高端血液透析器在醫(yī)療器械領(lǐng)域?qū)儆凇翱ú弊印钡牟牧吓c技術(shù)，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)以及市場競爭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(dǎo)致血栓在透析膜表面形成，進而導(dǎo)致膜孔堵塞、膜通量大幅度衰減、毒素清除率降低；并且也會引發(fā)體內(nèi)補體活化，使血液透析膜受到人體免疫系統(tǒng)的攻擊。在臨床應(yīng)用中，通常需要注射肝素（未分級肝素或者低分子量肝素）以抑制透析器內(nèi)血栓的形成。但是肝素的代謝困難，這對于一些出現(xiàn)出血癥狀的病人是不適用的，并且長期注射肝素還會導(dǎo)致血小板減少癥、高鉀血癥、骨質(zhì)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(xiàn)無肝素透析是目前血液透析的發(fā)展趨勢。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所劉富研究員團隊自2014年就開始進行透析膜方面的系統(tǒng)研究，已經(jīng)通過膜表面多巴胺固定肝素（Journal of Membrane Science?2014, 452,?390-399）、膜表面兩性離子化（Journal of Membrane Science?2015, 475, 469-479）、表面親水化（ACS Biomaterials Science & Engineering, 2016, 2 (12), 2207-2216）、膜表面水蛭素修飾（Journal of Membrane Science?2017, 523, 505-514）等方式改善材料的血液相容性，揭示了膜表面抗蛋白吸附和類肝素抗凝分子抑制凝血瀑布效應(yīng)的機理，如圖1所示。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了系列抗凝涂層策略，在國內(nèi)外率先實現(xiàn)了自抗凝透析器的制備，對于體外循環(huán)血液接觸材料（如人工腎、人工肺ECMO及管路等）的血液相容性涂層的設(shè)計與制備具有重要意義。
1）界面溶脹交聯(lián)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，膜絲的內(nèi)徑通常小于200 μm，在微米級的限域通道內(nèi)實現(xiàn)親水和抗凝分子的修飾具有非常大的挑戰(zhàn)性。目前的許多研究工作通過物理共混或者化學(xué)接枝的方式實現(xiàn)材料抗凝性能的提高，但是改性物質(zhì)與基體材料相容性的差異以及改性步驟的復(fù)雜性和不可控性，使得這些研究工作限制在平板膜上開展。針對該問題，研究團隊發(fā)展了一種基于微孔膜的Top-down遷移及界面交聯(lián)功能化策略（Journal of Membrane Science 2016, 520, 769-778，Journal of Membrane Science 2016, 513, 166-176），實現(xiàn)了抗凝分子在微孔膜表面的修飾，進一步地通過可控聚合技術(shù)合成了具有親水基團（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(jié)構(gòu)的共聚物，通過微流控技術(shù)實現(xiàn)抗凝聚合物在透析器限域通道內(nèi)的均勻分布，及界面交聯(lián)固定，最終通過親水基團的抗蛋白吸附以及磺酸羧酸基團的抗凝機理協(xié)同提高透析器的血液相容性。相關(guān)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(shù)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(yīng)的小分子單體很難清洗干凈。因此，為了減少改性過程中的有機溶劑或化學(xué)分子殘留，使用綠色環(huán)保溶劑以及減少改性過程中化學(xué)單體的使用量是極為有效的解決方式。常見的血液透析器多為高分子材質(zhì)（如聚砜），其疏水特性很容易吸附血液中的蛋白質(zhì)從而引發(fā)凝血瀑布產(chǎn)生血栓。研究團隊通過自由基聚合的方式合成了一種兩親性聚合物聚（甲基丙烯酸月桂酯-對苯乙烯磺酸鈉-丙烯酸）（P(LMA-SSNa-AA)），帶有長烷基疏水側(cè)鏈。兩親性聚合物可很好地分散于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(shù)實現(xiàn)改性溶液在血液透析器內(nèi)部循環(huán)，利用膜材料疏水吸附特性將類肝素改性物質(zhì)均勻吸附在透析膜內(nèi)表面。這種改性方式操作簡單，改性體系組成簡易，減少了有機溶劑參與，同時實現(xiàn)了透析器血液相容性的改善，對于后續(xù)的工業(yè)化生產(chǎn)和實際應(yīng)用具有重要意義。相關(guān)工作發(fā)表于Journal of Membrane Science，2020, 595, 117593。
3）界面植入凝膠制備自抗凝透析器：為了實現(xiàn)改性過程無溶劑、綠色化，同時增強改性涂層與膜基體的結(jié)合力，防止改性涂層的脫落，研究團隊將抗凝凝膠皮層通過界面植入的方式均勻地固定在中空纖維限域通道內(nèi)，如圖2所示。整個改性過程基于水體系，完全避免了透析器在清洗過程中的有機溶劑殘留?；趯ρ耗壜?lián)反應(yīng)的進一步理解，研究團隊將海藻酸鈉和丙烯酸合成了一種富含羧酸鹽的改性聚合物，其抗凝機理不同于類肝素物質(zhì)，對于膜材料表面的親水性提高顯著，并且能夠螯合血液中的鈣離子以阻斷凝血瀑布。不僅能夠提高透析膜的抗凝性能，對于抑制補體活性，防止免疫系統(tǒng)的激活同樣具有十分優(yōu)異的表現(xiàn)。偶氮二異丁腈（AIBN）為羧酸聚合物與基體材料的結(jié)合提供了連接點，通過控制AIBN的分布和植入量實現(xiàn)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）對改性透析器的抗凝時間做了相關(guān)測試?；隰人岣突撬岣念惛嗡馗男酝肝銎鞯腁PTT>600s，基于羧酸根改性的透析器的APTT>360s；TT的時長相對于血漿也延長了數(shù)倍，證明改性之后的透析器均具有優(yōu)異的抗凝特性。同時，使用酶聯(lián)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(yōu)異的血液相容性。為了進一步證明自抗凝透析器在臨床具有實際應(yīng)用價值，團隊采用了由浙江中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院提供的腎臟衰竭的豬模型（尿素氮（BUN>6mmol/L）分別對上述的改性透析器進行時長為1h的少/無肝素透析實驗，如圖3所示，對透析過后的血液中的尿毒、肌酐、無機磷和β2-微球蛋白等小中分子毒素的含量進行測量，進行毒素清除率的計算。通過動物透析實驗表征，三種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順利完成了透析過程，與未改性透析器相比，改性透析器的外表面“掛血”現(xiàn)象得到了明顯改善，并且中空纖維內(nèi)表面殘留的蛋白質(zhì)和血栓數(shù)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，三種改性透析器對于小中分子毒素的清除率得到了明顯提高。關(guān)于三種改性透析器的性能對比和差異數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)表于《膜科學(xué)與技術(shù)》，2020, 40(1):84-92。
上述研究得到國家自然科學(xué)基金（51973230）、浙江省杰出青年科學(xué)基金（LR20E030002）、浙江省高層次人才青年拔尖（ZJWR0108020）、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會優(yōu)秀會員（Y201848）、寧波科學(xué)技術(shù)局（2017C110034，2014B81004）的資助支持。
