近日，材料科学与工程学院材料先进技术教育部重点实验室黄楠、杨志禄教授指导硕士研究生于涵以我校为第一通讯单位在材料领域著名国际期刊Small (IF: 11.459)上发表题为“Endothelium-Mimicking Surface Combats Thrombosis and Biofouling via Synergistic Long- and Short-Distance Defense Strategy”的研究论文。
人类血管内层由于具有一层内皮细胞组成的内膜结构，其表面具有抗黏附分子可以有效防止游离细菌与血小板黏附；而内皮细胞具有的内分泌功能，将持续释放如一氧化氮等生物活性分子，远程调控凝血反应，经由两者共同作用，维持正常的血管生理功能。临床上，往往采用聚氯乙烯材质的导管来实现“临时血管”的作用，其可以直接实现药物输送或是进行临时的体内循环，然而，由于表面并不具备正常血管相应的功能性，往往会导致感染或是血栓形成，严重的甚至将危及生命。而凝血与细菌的黏附是相互促进的过程，细菌的黏附会导致凝血的发生，而凝血的发生则为细菌的黏附提供了温床。因此，相比较传统的使用药物包载，或是在表面接枝单纯功能分子等策略，并不能够从根本上解决长期使用导管引发的并发症问题。而正如前文所述，对血管内膜的功能进行生物仿生，似乎是更为形象化和具体化的设计思路。
近日，西南交通大学黄楠、杨志禄教授通过对血管内膜的生理功能进行挖掘和分析，尝试对血管内膜的长程与近程协同作用以调节凝血与防止血小板和游离细菌黏附进行仿生，对传统聚四氟乙烯导管进行表面改性，以期解决医用导管在临床运用中导致的凝血与细菌感染等问题 (图1)。在这项设计中，使用多巴胺作为基底涂层，之后制备富氨基涂层(PADA)，为接下来的分子接枝提供位点。而在分子选取上，实现近程抗黏附功能的分子是内皮细胞胞外基质的主要成分透明质酸（HA），实现远程调控以减少凝血发生的分子则是一氧化氮（NO）。而为了能够达到持续释放一氧化氮的目的，将铜离子（CuII）和大环多胺（DOTA）进行螯合反应，制备CuII-DOTA 配合物。之后将透明质酸与配合物接枝到PADA涂层上，实现双功能涂层的构建。相比较传统的单功能涂层，该涂层成功对血管内膜功能进行了仿生：近距离上，固定的HA可以被动地防止血小板与细菌黏附；而远距离上，通过催化血液中NO供体产生NO对凝血过程进行主动地抑制，两者的协同作用可以直接双向阻断凝血与细菌黏附的病理发展，达到从原理上解决炎症与凝血的问题。
图1. 远程-近程功能协同血管内膜仿生表面的功能实现
首先，为了验证该涂层的结构是否符合设计，作者对其进行了NO释放与表面化学结构和组成进行分析，证明了两种功能分子的有效接枝，并且实现了NO的持续稳定释放。在体外实验证明了优异的抗菌与抗凝血效果后，进行半体内循环实验，其研究证明涂层改性后表面的优异抗凝血效果与生物相容性（图2）。该研究最为重要的意义便是将临床需求的表面与生理环境下血管所实现的功能进行有效结合，为多种导管表面实现功能仿生提供了方向。而相比较以前的研究而言，这项工作创造性的使用了远程-近程结合的方法，充分考虑并结合了人体自身血液中的生理环境，打破了凝血与细菌感染正反馈促进的病理发展闭环，同时保证了在体内长期使用的有效性及生物安全性，显示其在临床的潜在应用价值。
图2. 远程-近程功能协同血管内膜仿生表面涂层导管实现了优异的长效抗菌抗凝血性能。
相关研究成果以“Endothelium-Mimicking Surface Combats Thrombosis and Biofouling via Synergistic Long- and Short-Distance Defense Strategy”为题发表在国际著名期刊《Small》(DOI: 10.1002/smll.202100729)上，我校2021届硕士研究生于涵与2021届博士研究生邱华为该论文共同第一作者，我学院黄楠教授、杨志禄研究员为该论文的通讯作者；西南交通大学材料先进技术教育部重点实验室/材料科学与工程学院为论文的第一通讯单位。该研究工作的发表得到了国家重点研发计划及国家自然科学基金等项目的资助。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202100729
于涵：
西南交通大学，材料科学与工程学院，2021届硕士研究生。主要研究方向为多种理疗气体的生理学作用和功能化表面在生物体内的生物相容性评价，以第一作者在Small（IF=11.459），Bioactive Materials（IF=8.724）等SCI期刊上发表研究论文2篇。
邱华：
西南交通大学，材料科学与工程学院，2021届博士研究生。主要研究方向为血液接触的植入、介入器械表面多功能化设计与研究，在Nature materials，Advanced science，Research及Biomaterials等期刊发表研究论文13篇，其中以第一作者在Biomaterials发表论文2篇，在Small发表论文1篇。目前，以校聘副教授高层次人才引进安徽医科大学口腔医学院工作。
杨志禄研究员简介：
西南交通大学，研究员，博士生导师，四川省杰出青年基金获得者，西南交通大学“扬华学者”。现任KeAi旗下国际期刊Smart Materials in Medicine主编、中国科协旗舰刊Research编委、Bioactive Materials编委及Engineered Regeneration编委。目前，担任中国生物材料学会下4个二级分会的常务会员/委员。主要研究方向聚焦于：1）心血管动脉粥样硬化病理发病机制、以及用于心血管疾病治疗的纳米靶向药物、药物球囊及具有病变血管组织再生修复及病灶治愈功能的冠脉、外周及颅内血管支架；2）心血管植入/介入器械芯片；3）具有长效抗凝、抗感染和超润滑性功能的导管；4）可回收下腔静脉滤器。以通讯/第一作者在PNAS，Research，Advanced Science，Biomaterials及Small等国际知名期刊发表SCI论文50余篇。国际/国内会议大会报告、邀请报告10余次。获得授权发明专利17项（包括美国发明专利1项）。主导发展的具有完全自主知识产权的“基于一氧化氮催化释放的内皮功能仿生血管支架涂层技术”已成功实现转让（转让费：1500万）。
课题组主页：https://faculty.swjtu.edu.cn/yangzhilu/zh_CN/index.htm
黄楠教授简介：
西南交通大学，教授，博士生导师，国家百千万人才，国务院政府津贴获得者。中国最早开展心血管生物材料研究的学者之一，我国心血管生物材料领域战略发展计划的规划者之一。国际生物材料科学与工程联合会Fellow，生物材料表面与界面国际会议国际委员会主席。先后主持承担“973”、“863”项目、国家自然科学基金重点项目及面上项目等3000余万元，发展出具有自主知识产权的系列心血管材料表面改性的先进技术和心血管植入介入器械的关键技术，所研究的具有我国自有知识产权的血管支架临床应用被证实优于国内外现有产品（目前临床应用已超过20万例）。申请及获得专利80余项。获得省部级科技进步奖3项，发表SCI收录论文近300篇，被他人引用超1万余次。国际会议大会报告、邀请报告40余次。
课题组主页：https://faculty.swjtu.edu.cn/huangnan/zh_CN/index.htm