生物相容性涂層組合物的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關申請
[0002] 本申請是要求2013年1月7日提交的美國臨時申請61/749, 495號的優(yōu)先權益的 PCT申請，其整個內容特此以引用的方式并入。
[0003] 聯邦政府資助研宄的聲明
[0004] 本發(fā)明受政府支持以美國國家衛(wèi)生研宄院（NationalInstitutesofHealth)授 權編號R01HL082631和R42HL084807研發(fā)。政府具有本發(fā)明的某些權利。
技術領域
[0005] 本發(fā)明一般地涉及生物相容性涂層組合物。更具體地，本發(fā)明涉及用于滲透膜表 面的血液相容性、抗凝血和不凝血、肝素基生物活性涂層。
[0006] 發(fā)明背景
[0007] 在美國肺病可能成為僅次于心血管疾病和癌癥的第三殺手。（Lungdisease data2008.AmericanLungAssociation,http://www.lungusa.org/about~us/ publications/(2011年7月訪問））。在美國每年有成千上萬的死亡歸因于肺部原因， 花費數千億美元。MHL。目前，不可逆性和慢性肺病僅可通過肺移植治療（胃w.ISHLT. 〇rR)〇每年成人呼吸窘迫綜合征（ARDS)折磨著150, 000名美國患者，發(fā)病率為30-50 % (Demling,R. ,Themodernversionofadultrespiratorydistresssyndrome.AnnRev Med, 1995. 46:第 193-202 頁；ZwischenbergerJB，C.S.，AlpardSK等，Percutaneous extracorporealarteriovenousC02removalforsevererespiratoryfailure.Ann ThoracSurg，1999. 68 :第181-7頁）。在臨床上可合理地引入人工肺作為移植的臨時橋梁 和作為ARDS的急性短期治療。
[0008] 聚合中空纖維膜（HFM)是膜式氧合器的整體部分并且具有經過極大改變的血液 氧合系統。然而HFM易于蛋白質吸附、血小板粘附及血栓沉積物形成和粘附。因此，與合成 HFM接觸的血流具有活化凝血和炎癥的細胞和分子組分的潛力。人造血液接觸表面通過接 觸活化、蛋白質吸附及元素活化和吸附的現象引起材料誘導的血液損傷，最終可導致炎癥 和臨床不良反應（圖1)。具體而言，與任何其它接觸血液的人工器官相比，血液氧合器和人 工肺使用較大表面積并延長停留時間以達到高氣體交換率。當患者需要長期支撐時，這就 成問題。將血栓形成減到最少的一種解決方案是通過向患者的血液中引入抗凝血劑例如肝 素維持全身抗凝作用。然而，抗凝血劑過量可導致出血風險。
[0009] 第二種解決方案是為氧合器和人工肺的血液接觸表面提供生物相容性涂層以減 少全身抗凝作用的所需量并且將表面誘導的血栓形成（或）歸因于表面的血液活化和凝固 減到最少。許多研宄已經證實肝素基生物活性表面改性和非肝素基生物非活性涂層方法提 供了有益效果。然而，這些涂層中的許多的抗凝特性僅持續(xù)短時間并且不能用于長期支撐。
[0010] 因此，需要在長期使用期間維持其結構完整性和不凝血特性的不凝血生物相容性 涂層。

【發(fā)明內容】

[0011] 根據非限制性示例實施方案，本發(fā)明提供了不凝血生物相容性涂層。
[0012] 在示例實施方案中，提供了季銨鹽和肝素復合物（QUAT)涂層。本文提供的QUAT涂 層的示例性實施方案包括使用溶于包括大量醇連同少量有機溶解劑例如四氫呋喃（THF)、 甲苯、石油醚等的溶劑混合物中的離子絡合物進行的HFM或其它膜或表面的表面改性。 在其它實施方案中，主要涂布聚乙烯吡咯烷酮（PVP)，接著稍后涂布季銨鹽和肝素復合物 (PVP-QUAT)。PVP-QUAT涂層旨在血液與表面接觸期間誘導混雜PVP的不凝血效應與肝素的 抗凝血效應。
[0013] 另外的示例實施方案涉及制備涂層并將涂層涂到表面，例如滲透膜表面的方法。 進一步提供了已經涂布的氧合器設備和人工肺及包括此類涂層的試劑盒。
[0014] 附圖簡述
[0015] 本文參考以下附圖描述了非限制性示例實施方案：
[0016] 圖1是描繪血液與氧合器的中空纖維膜相互作用的結果的流程圖。
[0017] 圖2說明了通過中空纖維膜氧合的原理。圖2A顯示了通過中空纖維膜和通過一 系列作為底板的一部分的此類膜的氧氣和二氧化碳流。圖2B顯示了在放大的攝影、光學和 電子顯微鏡水平下，中空纖維膜的表面和橫截面特征。
[0018] 圖3顯示了用于維持肝素涂層的血液相容性的固定表面的示意圖。圖3A是指出 了肝素化表面維持血液相容性的原理的示意圖。圖3B描繪了在中空纖維膜表面上涂布季 銨鹽和肝素的原理。圖3C描繪了在中空纖維膜表面上涂布PVP、季銨鹽和肝素的原理。
[0019] 圖4是描繪了Corline肝素表面（CHS)涂層纖維、Quat-肝素復合物涂層纖維及 PVP和Quat-肝素復合物涂層纖維上固定肝素水平的圖表。
[0020] 圖5顯示了在HFM表面上吸附的纖維蛋白原的量。
[0021] 圖6顯示了在HFM表面上粘附的血小板的量。
[0022] 圖7描繪了當前涂層的體外血液接觸表面連同無涂層的和一些商用涂層HFM表面 的掃描電子顯微鏡觀察結果。
[0023] 圖8顯示了由圖7的HFM表面估計的血栓量。
[0024] 圖9根據示例實施方案顯示了季銨鹵化物的示例結構。
【具體實施方式】
[0025] 本發(fā)明涉及不凝血和抗凝血、生物相容性涂層及制備和使用此類涂層的方法。還 提供了已經涂布的氧合器設備和人工肺及包括此類涂層的試劑盒。
[0026] 鑒于以下詳細描述，連同附圖一起，本發(fā)明示例實施方案另外的方面、優(yōu)點和/或 其它特征將變得顯而易見。本領域中的技術人員應顯而易見的是，本文提供的實施方案僅 為示例性和說明性而非限制性。其修改的許多實施方案視為屬于本公開及其等效方案的范 圍之內。
[0027] 雖然將示例實施方案描述為連同血液氧合系統中的中空纖維膜一起使用，但是應 理解這些涂層可用于其它目的，因此本發(fā)明不限于此類應用。鑒于本文提供的教導，本領域 中的普通技術人員將認識到可使用本發(fā)明的涂層的其它應用。因此，本領域中的普通技術 人員將能夠將本發(fā)明的涂層和方法用于其它應用中。因此，旨在使這些備選用途成為本發(fā) 明的一部分。
[0028]本說明書中提到的所有出版物均表明了本發(fā)明所屬領域中技術人員的水平。本文 的所有專利和出版物均以引用的方式并入，如同特別單獨地指出將每個單獨的出版物以引 用的方式整體并入一樣。
[0029]在描述示例實施方案時，為清楚起見采用了特定術語。然而，并非旨在將實施方案 限于該特定術語。除非另外指出，根據傳統用法使用技術術語。
[0030] 如本文所使用，"一種"或"一個"可意為一個或多個。如本文所使用，"另一個"可 意為至少第二個或多個。此外，除非上下文另有要求，單數術語包括復數并且復數術語包括 單數。
[0031] 如本文所使用，關于要涂到例如膜（例如中空纖維膜）的至少一個表面上，形成氧 合器的一部分的涂層組合物，術語"涂層"、"涂層組合物"和"組合物"有時可交換使用。涂 層的此類應用可在首先施加的底漆或其它層或處理之上。因此涂層可能不直接接觸表面。 同樣，涂層可能完全或可能不完全涂布特定表面或表面的一部分。本文提供的涂層可極薄 (例如，小于100納米厚）并且透明。經直接目測，在涂層和非涂層中空纖維膜表面之間可 能不會出現任何差異。因此，將涂層視為血液和膜表面之間透氣的血液相容性界面。
[0032] 如本文所使用，術語"中空纖維膜"或"HFM"可交換用于指通過氧氣向血液中和二 氧化碳向與之接觸的氣相中擴散的過程使血液氧合成為可能的小的半滲透毛細管。流動血 液圍繞HFM且有氧流過其內腔描述了如圖2A所示氧合的原理。由于血液和氧氣借助于擴 散的逆流作用，二氧化碳連同殘留氧氣一起離開底部?？蓪FM捆在一起以維持完整性和 增加血液氧合效率。
[0033] 圖2B中不出了說明不例HFM的外表面特征和橫截面特征的一系列光學和掃描電 子顯微鏡圖像。HFM易于蛋白質吸附、血小板粘附及血栓沉積物形成和粘附。血栓沉積物抑 制氣體轉移并因此限制其使用的持續(xù)時間。本發(fā)明提供了生物相容性涂層以降低血栓沉積 的程度，這樣允許長期使用氧合系統。
[0034] 圖3A指出了肝素化表面在襯底301上保持其血液相容性的原理。固定在襯底301 上的肝素302提供了活性ATIII位點340。當其二者結合在一起產生血酶-抗凝血酶（AT III)復合物（TAT) 320中和結果時，凝血酶310的潛在血栓形成劑通過抗凝血酶330減少。 由此當TAT復合物與活性ATIII位點340結合時，凝血酶310滅活。
[0035] 涂層組合物
[0036] 本發(fā)明的非限制性示例實施方案提供了季銨鹽和肝素復合物（QUAT)涂層組合 物。具體而言，本文提供了包括含季銨鹽和肝素復合物（QUAT)的血液相容性、肝素基生物 活性涂層的生物相容性涂層組合物。例如圖9中所示，所述結構可包括其正氮離子與肝素 的一些負離子經離子鍵結合的特定線性季銨鹵化物。季銨鹵化物的一些正氮離子與膜表面 獲得的官能團的負離子結合。所述涂層可為抗凝血性和不凝血性。
[0037] 其它示例實施方案提供了PVP底漆季銨鹽和肝素復合物（PVP-QUAT)涂層。具體 而言，這些涂層組合物的實例包括聚乙烯吡咯烷酮（PVP)的涂層，接著是所述季銨鹽和肝 素復合物（PVP-QUAT)的涂層以形成PVP-QUAT涂層。
[0038] HFM表面陰離子官能團的生成：
[0039]使尺寸為Icm2的PMP-Oxyplus HFM的外表面接觸普通甲醇溶劑（或）70體積％甲 醇和30體積％四氫呋喃（THF)的溶劑混合物在HFM表面產生最大的負離子密度。通過在HFM上吸附甲苯胺藍（陽離子或+離子）染料確認這些位點（或負離子）的存在和密度。 通過按0.005至0.05重量％的范圍將甲苯胺藍溶于含0.2重量％NaCl的0.OlNHCl溶 液中制備甲苯胺藍的獨立溶液。經證實，Icm2表面積的HFM能夠從Iml溶液吸附最多0. 05 重量％的甲苯胺藍。因為甲苯胺藍是相對于帶正電的氮離子，具有與陽離子季銨鹵化物類 似特征的陽離子染料，所以在估計表面固定所需的季銨鹵化物的量時將甲苯胺藍用作標準 物。
[0040] 本發(fā)明人已經發(fā)現單獨的醇對肝素和季銨鹵化物的復合物的溶解能力有所限制。 本發(fā)明人已經發(fā)現THF或甲苯或本文的其它有機溶劑將增強溶解能力。因此，根據非限制 示例實施方案，可使用具有70-100體積％甲醇（或其它醇或包括甲醇、乙醇和/或丙醇的 醇混合物）和0-30體積％THF的溶劑混合物。根據