生物活性大分子的引入为提高植入、介入医用装置的功能与疗效注入新的活力，然而经典的油溶性聚合物涂层不适用于水溶性的生物大分子负载。浙江大学计剑教授、任科峰教授团队受到自然界海绵生物的多孔结构、毛细管效应启发，通过微相分离溶蚀的方法制备了一种上层多孔、下层密实的组合涂层，利用多孔毛细作用实现简便快速的生物大分子负载，并将其应用到心血管支架中，实现了出色的促血管内膜再生修复功能。该研究成果以“Hierarchical Capillary Coating to Biofunctionlize Drug-Eluting Stent for Improving Endothelium Regeneration”为题发表在Research上（Research, 2020, DOI: 10.34133/2020/1458090）。
研究背景
药物洗脱支架（Drug-eluting stent, DES）植入术是当前治疗冠状动脉狭窄疾病的金标准，其中药物缓释涂层为抑制支架植入部位的组织增生发挥了关键作用。随着DES的广泛使用，大量临床研究显示，非特异性的抗增生药物释放同时带来了血管内皮层修复的推迟，增加晚期血栓等并发症的风险。近年来，从血管微环境仿生角度出发，大量具有特异性促进内皮细胞生长和内膜修复的生物活性功能分子被开发和使用，为进一步改善药物洗脱支架疗效提供新的可能。然而药物缓释涂层通常由小分子药物和油溶性聚合物材料组成，这种基于有机溶剂操作的聚合物涂层并不适用于水溶性生物活性功能分子的负载。因此，为水溶性的生物活性大分子开发一种有效的医用涂层具有重要意义。
研究进展与展望
受到自然界海绵生物的多孔结构和毛细效应启发，浙江大学计剑教授、任科峰教授团队将血管内皮组织微环境仿生界面思想与涂层多孔结构结合，通过微相分离溶蚀方法开发一种具有异相结构的功能医用涂层（图1）；其中致密的底层涂层负责小分子药物包埋，而顶层多孔海绵涂层利用毛细管效应实现生物活性分子的快速可控负载。
图1 异相结构功能医用涂层的构建与应用
得益于肝素修饰的多孔海绵涂层，雷帕霉素(Rapamycin, Rapa)在涂层中的初期暴释得到显著改善，并且该涂层能在1分钟之内达到高达1μm/cm2的血管内皮细胞生长因子（VEGF）可控负载，而肝素的亲和作用实现了VEGF的缓释（图2）。
图2 功能分子在涂层中的负载与释放行为
研究团队发现，VEGF的有效负载能特异性提高内皮细胞在雷帕霉素作用下的活性和生长。因此在体外细胞共培养中，内皮细胞在该涂层上的细胞密度是平滑肌细胞的近25倍（图3）；进一步研究证实，多孔海绵涂层对VEGF的有效负载通过ERK-TSC-mTOR信号通路调控了内皮细胞的生长行为，从而在雷帕霉素缓释的环境中实现了这种内皮细胞竞争性生长（图4）。
图3 内皮细胞与平滑肌细胞共培养
图4 内皮细胞m-TOR信号通路调控
随后，研究团队选择小型猪冠脉模型，对异相结构功能医用涂层修饰的血管支架的抗增生效果和内皮再生效果进行评价。结果显示，VEGF/Rapa共负载支架表现出优异的抗组织增生效果（图5），并且多孔海绵层对VEGF的有效负载促进血管组织CD31的表达，证实支架表面内皮层的修复得到了促进。这些结果证明：这种异相结构功能医用涂层对生物活性功能分子负载的实际应用价值，为生物活性功能分子在药械结合医用装置中的应用提供新的思路。
图5 异相结构功能涂层抑制内膜增生效果图
作者简介
计剑，浙江大学高分子科学与工程学系，教授。国家自然科学基金杰出青年项目获得者，教育部长江学者特聘教授，国家“万人计划”科技创新领军人才。研究领域包括生物医用材料的应用基础研究，在生命体系与材料界面的生物相容性和生物功能性方面开展了系统深入的研究，并将基础科学原理应用到现代植介入医用材料的设计和研发中。发表学术论文两百余篇，主持国家重点研发计划项目、国自然重点项目等各类项目。邮箱：jijian@zju.edu.cn
任科峰，浙江大学高分子科学与工程学系，教授。浙江省自然科学基金杰出青年项目获得者，入选科技部中法杰出青年交流计划。研究围绕“生物医用涂层材料表界面的动态设计和构筑”，建立了一系列生物材料表界面修饰和医用涂层材料的新方法，这些研究用于调控材料与生命体之间的相互作用，并积极将研究成果转化应用于生物医用装置中。发表学术论文90余篇，主持国家和省部级项目十余项。邮箱：renkf@zju.edu.cn
来源：Research科学研究
