超分子化学是通过可逆的非共价相互作用（如氢键、π–π堆积、金属-配体配位和主客体相互作用）将分子组装在一起的科学，这使得开发出动态和适应性强的生物医学材料成为可能[1]。其中最通用的超分子结构单元是脲基吡啶酮（UPy），它能够形成牢固的四重氢键，为聚合物网络提供强度和可逆性。将UPy结构引入聚氨酯中，使得超分子聚合物具备了可调的机械性能和降解特性，使其成为下一代医疗设备的理想候选材料[2],[3],[4]。
血管外科手术中的一个主要临床挑战是开发小直径血管移植材料（SDVGs，直径6毫米或更小），这些材料对于冠状动脉旁路手术和血液透析通路等手术至关重要[5]。尽管自体移植材料因其优异的通畅性和生物相容性而仍是金标准，但其使用受到患者合并症和血管可用性的限制。合成移植材料（通常由膨胀聚四氟乙烯ePTFE或Dacron制成）在大直径应用中表现良好，但在小直径环境中由于血栓形成、顺应性不匹配和缺乏内皮化而长期通畅性较差。对于透析患者而言，不到70%的天然动静脉瘘（AVF）能在12个月内用于透析，中位成熟时间为3.5个月[6]；而基于ePTFE的动静脉移植材料（AVG）的年感染率高达9%[7]。
组织工程和超分子聚合物科学的最新进展使得基于UPy-聚氨酯的电纺血管移植材料成为可能，这些材料旨在通过支持内源性组织修复和可控降解来克服上述限制[8],[9],[10]。长期以来，聚氨酯因其生物相容性和生物稳定性而成为长期植入应用的首选材料[11]。然而，尽管具有稳定性，临床经验和研究表明聚氨酯容易发生氧化降解，尤其是在异物反应明显的情况下。例如，在起搏器导线中，巨噬细胞和异物巨细胞等免疫细胞的聚集会引发一系列氧化反应，导致链断裂和材料分解[12],[13]。在生物稳定聚氨酯的背景下，这一过程被称为环境应力开裂（ESC）[12]。更广泛地说，ESC是环境生物降解（EB）的一个子集，后者也发生在没有应力或应力诱导开裂的情况下[14]。在生物稳定聚氨酯中，巨噬细胞被招募到生物材料表面，与吸附的宿主蛋白（如白蛋白、纤维蛋白原和补体蛋白）相互作用。巨噬细胞吞噬小聚合物片段（<5微米），并释放活性氧（ROS）、降解酶和酸，从而引发材料分解[11],[15],[16],[17]。当颗粒大小超过巨噬细胞的吞噬能力时，它们会融合形成异物巨细胞（FBGC），这些细胞会更猛烈地攻击较大的生物材料表面，释放更高水平的ROS和酶，加速降解过程[15],[16],[18]。芳香族异氰酸酯基团的生物稳定聚氨酯尤其容易受到ROS的攻击[14],[15]。聚氨酯的另一种降解机制是水解，尤其是在FBGC参与的情况下，它们会创造一个酸性环境，进一步加速水解过程。
用于心血管植入的聚氨酯大多是分段聚合物，由软段（通常是聚碳酸酯或聚醚多元醇）和硬段（由二异氰酸酯和链延长剂组成）构成。主链通过异氰酸酯基团（–NCO）与多元醇中的羟基（–OH）反应形成的尿烷键（–NH–CO–O–）构建。软段提供柔韧性和弹性，而硬段提供机械强度并控制降解速率。关键的化学键包括尿烷（氨基甲酸酯）、碳酸酯、醚和/或酯键，这些键可以调整生物稳定性或生物可吸收性[13],[19]。
聚碳酸酯软段的氧化是通过α-亚甲基氢原子抽取并随后在α-亚甲基位置添加羟基自由基来实现的，形成半缩醛，进一步氧化后生成醛、羧酸和醇类降解产物[13]。对于聚氨酯硬段，羟基自由基从链延长剂（例如二醇）中抽取α-亚甲基氢原子。额外的羟基自由基与聚氨酯自由基结合形成高度活性的半缩醛，可能进一步发生链断裂，生成不稳定的氨基甲酸和醛。氨基甲酸容易脱羧生成伯胺，而醛进一步氧化为羧酸[13]。具体反应过程见图1。
水解涉及水分子对聚合物主链中碳酸酯或尿烷键的亲核攻击[11],[19],[20],[21]。在含有亲水性软段的聚氨酯中，这一过程更为明显，因为水更容易渗透。较大的片段（>10微米）由于水渗透受限，不易发生水解，需要其他机制（如氧化）或催化剂（如酶、蛋白酶和酯酶）来分解。酶促水解是由于巨噬细胞和FBGC释放酯酶和蛋白酶等酶来切割聚合物主链。酶活性对较小的片段（<5微米）特别有效，这些片段会被巨噬细胞吞噬并在细胞内降解。较大的片段（>10微米）会触发FBGC的形成，这些细胞能够吞噬更大的片段，进一步增强酶促水解。具体反应过程见图1。
最近，人们有意设计可降解的聚氨酯。根据所使用的化学方法，可以区分多种降解途径。脂肪族多异氰酸酯（如六亚甲基二异氰酸酯HDI、赖氨酸甲基酯二异氰酸酯LDI和1,4-二异氰酸丁烷BDI）比芳香族多异氰酸酯更适用于可降解聚氨酯，因为它们会降解为无毒产物。聚环氧乙烷和聚环氧丙烷已被提议作为聚氨酯中的软段，以促进水解降解；特定的链延长剂（如丁二醇）或胺类（如腐胺）可用于定向酶促水解[19]。
引入脲基吡啶酮（UPy）等超分子结构单元可以实现动态氢键，从而进一步控制机械性能和降解特性，氧化是主要的降解途径[22],[23]。这种模块化化学方法使得设计适合血管移植和其他心血管设备的先进材料成为可能。
将这些新型材料转化为临床应用的关键是全面了解其吸收、分布、代谢、排泄和毒理学（ADMET）特性。ADMET框架在制药和生物材料研究中得到广泛应用，为评估植入聚合物的安全性和性能提供了系统方法[24]。本文根据ADMET框架总结了关于可吸收超分子（UPy）聚醚聚氨酯小直径血管移植材料的实验室、临床前和临床数据。
