《Acta Biomaterialia》：A Dual-Functional Anti-Thrombotic Hydrogel Coating Integrating Immunomodulation and Surface Passivation for Vascular Implants under Inflammatory Conditions
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抗凝血涂层协同调节炎症-凝血反馈环的研究。通过红氧化还原引发表面聚合，在聚尿酸基底上接枝含磷胆碱（MPC）和抗氧化剂Tempol的复合涂层，在炎症兔模型中显著降低导管表面血栓形成及周围组织炎症浸润，同时促进巨噬细胞向抗炎M2表型转化。
作者：胡亚格|熊瑶|郑天天|王嘉琪|刘静泽|罗瑞芳|张帆军|王云冰
中国四川省成都市四川大学生物医学工程学院国家生物材料工程研究中心，邮编610064。
摘要
心血管植入式设备，如中心静脉导管，在临床应用中常常会引发血栓形成。传统的抗血栓涂层对于具有全身炎症状态的高风险患者效果有限，因为它们无法调节炎症与凝血之间的相互作用。为了解决这一局限性，本研究开发了一种具有协同抗血栓作用的水凝胶涂层，该涂层结合了表面钝化和免疫调节功能。通过氧化还原引发的表面引发聚合反应，在聚氨酯（PU）基底上制备了一种稳定的两性离子涂层，并接枝了2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酸胆碱（MPC）和自由基清除剂4-氨基-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧（Tempol）。体外实验表明，该涂层不仅显著降低了蛋白质吸附和血小板粘附，表现出良好的抗血栓性能，还具有良好的自由基清除能力和细胞相容性。此外，它还能促使巨噬细胞从促炎型M1表型向抗炎型M2表型转变。为了进一步评估其体内性能，建立了一个脂多糖（LPS）诱导的全身炎症兔模型。体内结果显示，与未经改性的PU和MPC/丙烯酸水凝胶涂层PU（PU-MA）相比，Tempol改性的涂层（PU-MA-Tp）在炎症条件下显著减少了导管表面的血栓形成，并有效减轻了周围组织的炎症细胞浸润。同时，PU-MA-Tp涂层还促进了巨噬细胞向抗炎型M2表型的极化。研究表明，通过协同调节材料-生物界面和局部免疫微环境，可以维持材料在炎症条件下的抗血栓性能，为设计适用于高风险患者的抗血栓血液接触装置提供了潜在方向。
意义声明
心血管设备在临床实践中被广泛使用，但在具有全身炎症或免疫功能障碍的患者中仍极易发生血栓和感染。传统的抗血栓涂层主要通过减少蛋白质吸附或释放抗凝剂来发挥作用，但忽视了与凝血紧密耦合的炎症微环境，导致在氧化应激条件下的效果有限。本研究提出了一种双功能涂层，将2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酸胆碱（MPC）与活性氧（ROS）清除剂4-氨基-2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧（Tempol）结合，以实现协同的抗血栓和免疫调节效果。该涂层能够抑制蛋白质吸附，减少氧化应激，并减弱促炎信号通路，从而打破炎症-凝血的反馈循环。在脂多糖（LPS）诱导的炎症和导管植入“双击”模型中的验证突显了其转化潜力。这项工作推动了生物材料设计的发展，为高风险患者提供了整合免疫和氧化还原调节的解决方案。
引言
心血管疾病（CVDs）是全球主要的公共卫生挑战[1]。在临床实践中，包括人工心脏瓣膜、血管支架和中心静脉导管（CVCs）在内的多种血液接触医疗设备被广泛用于心血管疾病的治疗和管理[2]。需要这些设备的患者通常伴有恶性肿瘤、器官衰竭或严重感染等基础疾病[[3], [4], [5], [6]]。这些病理状况通常伴随着全身炎症或免疫功能障碍，免疫系统与凝血因子之间的相互作用可能会加剧血栓形成，显著增加设备相关血栓和感染的风险[7,8]。
抗血栓涂层方面已取得显著进展。惰性涂层如聚乙二醇（PEG）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和两性离子聚合物可以提高表面亲水性，从而减少蛋白质吸附和血小板粘附[[9], [10], [11]]。相比之下，活性涂层依赖于肝素或利伐沙班等抗凝剂的局部释放来抑制凝血途径[12,13]。然而，设备植入本身会引发局部炎症反应[14]。在具有全身炎症或免疫失调的患者中，这一过程会更加剧烈。免疫细胞中的NADPH氧化酶（NOX）复合体的激活会导致活性氧（ROS）的过量产生[15]。升高的ROS会破坏内皮完整性，促进促炎细胞因子的释放，并激活NF-κB和NLRP3炎性体等信号通路，进一步加剧炎症[[16], [17], [18]]。炎性体的激活还会刺激富含组织因子（TF）的巨噬细胞微粒[19]，这些微粒会结合因子VIIa，触发凝血级联反应，最终生成凝血酶并沉积纤维蛋白[20,21]。在这种病理背景下，传统的单一机制抗血栓涂层存在明显局限性，它们未能考虑到持续的炎症微环境及其与凝血的相互作用，从而限制了其在临床相关条件下的可靠有效性。
最近的研究开始结合抗血栓和免疫调节策略来应对这一挑战。袁等人[22]开发了没食子酸改性的钼多金属氧化物纳米点，通过抑制ROS介导的caspase-11激活来缓解败血症相关的凝血障碍。向等人[23]开发了一种基于PBA的双层静电纺丝涂层，能够快速清除ROS并急性抗凝，随后持续释放吲哚美辛以抑制慢性炎症，使导管抗血栓效果持续六天。这些发现强调了控制炎症或打破炎症-凝血反馈循环对于血液接触设备长期安全性的重要性。
基于这些见解，我们开发了一种结合免疫调节和抗血栓功能的双功能涂层。利用氧化还原引发的表面引发聚合方法，我们将基于磷酸胆碱的聚合物（MPC）和自由基清除剂Tempol共价接枝到聚氨酯基底上，形成了稳定的两性离子水凝胶（PU-MA-Tp）。MPC模拟细胞膜磷脂，赋予材料生物惰性，从而抑制蛋白质吸附和免疫细胞激活，减少早期炎症[24,25]。多项研究表明，作为稳定的硝基氧化物，Tempol具有显著的抗氧化性能，并已被用于治疗氧化应激相关疾病[[26], [27], [28]]。对这些研究的综述讨论了其机制、潜力和安全性考虑[29]。在我们的研究中，Tempol作为一种可穿透细胞的硝基氧化物，充当超氧化物歧化酶（SOD）的模拟物，清除•OH和ROO•等ROS。通过减轻氧化应激，它下调NF-κB信号通路，减少促炎细胞因子的释放，并间接防止过度凝血[26,30]。为了更接近临床条件，我们建立了一个炎症诱导的兔模型，首先通过脂多糖（LPS）诱导全身炎症，然后在炎症状态下进行导管植入作为二次刺激。该模型再现了高风险患者中的关键病理特征，为全面评估PU-MA-Tp涂层的抗炎和抗血栓效果提供了严谨的平台。
材料
聚氨酯（PU）薄膜购自中国兴健环保科技有限公司。叔丁基过氧-2-乙基己基碳酸酯（TBEC）购自中国Energy Chemical公司。丙烯酸（AA）、2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酸胆碱（MPC）、葡萄糖酸亚铁、1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐（EDC）和N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）购自中国Aladdin公司。乙二胺四乙酸二钠（EDTA-2Na）购自中国Adamas公司。
水凝胶涂层的制备
水凝胶涂层的设计和制备旨在赋予材料高亲水性和有效的抗污染性能，这对于血液接触表面至关重要。如图1A-1B所示，涂层是通过界面氧化还原反应引发的表面引发聚合（SIP）形成的。
具体而言，首先将疏水性氧化引发剂TBEC嵌入聚氨酯（PU）基底中，然后处理后的基底浸入水中
研究的局限性
尽管本研究证明了PU-MA-Tp涂层在急性阶段的抗血栓和抗炎效果，但仍存在一些局限性。首先，体内研究的观察时间相对较短，这限制了对长期稳定性、慢性炎症和晚期血栓形成风险的评估。其次，虽然兔模型常用于急性血栓的评估，但其凝血和炎症反应与人类有所不同
结论
总之，本研究成功开发并评估了一种双功能水凝胶涂层PU-MA-Tp，它结合了表面钝化和免疫调节活性，增强了抗血栓性能，尤其是在炎症条件下。该涂层采用氧化还原引发的接枝策略合成，结合了仿生磷酸胆碱基聚合物的抗污染性能和Tempol的活性氧清除能力。
CRediT作者贡献声明
胡亚格：撰写——原始草案、软件开发、项目管理、方法学设计、数据分析、概念构思。
熊瑶：软件开发、方法学设计、数据管理。
郑天天：软件开发、实验研究、数据管理。
王嘉琪：监督指导、方法学设计。
刘静泽：软件开发、数据管理。
罗瑞芳：数据可视化、结果验证、资金筹集。
张帆军：撰写——审稿与编辑、监督指导、资源协调、实验研究、资金筹集、数据管理。
王云冰：
