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電子顯微鏡下凝結在醫材上的血液

抗凝血醫材的重要

每個人從小到大,多少都有過受傷流血的經驗。當身體有個小傷口,血液流出,如果傷口不大,血液很快自動凝結,也就不再流血了。這是件好事,如果血液不會凝結,人類就很容易因為小傷失血死亡。但是,這種血液流出生物體外會自動凝結的特性,對於人工關節置換心臟植入物血液透析裝置,就是個致命的問題。目前,血液透析都要搭配抗凝血劑(例如:肝素(heparin))使用,以避免血液流出體外後,在血液透析設備的管道內凝結,塞住流管。但抗凝血劑的使用,可能造成血小板減少,劑量過多還可能致死。如果不使用抗凝血劑,如何能讓血液流出生物體後,通過這些醫材,又不會凝結呢?

一群在哈佛的科學家和工程師可能替這些問題找到了解決方法。他們應用FDA已經核准的一種材料,開發了一種特殊的塗層,可以披覆在醫療器材的表面。這種塗層讓血液不會停留在上面,細菌也沒辦法附著。(原文刊載於nature biotechnology)

不沾塗層的開發來自豬籠草的啟發

這項材料開發的點子來自於Harvard SEAS 的教授Joanna Aizenberg先前開發的一種塗層,名為SLIPS。SLIPS的全名是Slippery Liquid–Infused Porous Surfaces。這種塗層是一種不沾塗層,幾乎所有液體都不會沾在表面。原理是這塗層表面有很多微細結構和孔洞,可以抓住一層液體,讓所有經過上面的東西,都快速地滑掉。這項發明,可以應用在例如太陽能板、海洋生物淤積、窗戶的玻璃、石油管的塗層、屋頂的塗料等。如果屋簷塗上這種材料,昆蟲就無法在上面築窩。下雪的時候,因為雪不會附著在塗層上,沒有足夠的時間凝結,就不會堆在屋頂上。應用非常廣。其實這個材料的開發,來自於Aizenberg教授觀察豬籠草捕捉昆蟲的過程。當豬籠草是在乾燥的狀況,昆蟲在這種植物上爬行,是不會掉進豬籠草的袋子內。但是在潮濕的狀況,因為豬籠草的表現抓住一層液體,讓昆蟲在上面爬行,沒有辦法抓住植物表面,所以很快就掉進豬籠草的袋子了。你可能很快反應到荷葉上凝結的水珠,也是會很快的滑掉,所以古早人用很大的荷葉來遮雨。水珠凝結在荷葉上的原理,是因為荷葉的表面有很多細小的纖毛,這些纖毛會鎖住一層空氣,讓液體不會滲入。現在市面上有的像是汽車擋風玻璃和後照鏡的塗層,都有類似離水性的塗層設計。

不沾塗層應用在抗凝血醫材上

不過,要用在醫療上,可就有更多要考慮的了。因為醫療上的產品,要通過FDA認證,通常都要數年之久。所以這個研究團隊,就決定採用一種已經通過FDA認證的材料,perfluorocarbon來做新的開發。這種材料和鐵氟龍(Teflon)很像。應用這個材料開發新的塗層,有兩個步驟。首先是化學結合一層perfluorocarbon,然後再加上一層液體的perfluorocarbon。這個新的材料,取名叫做TLP(Tethered-Liquid Perfluorocarbon)。

TLP塗層讓血液不會凝結在材質表面

一般材質(左) 和 TLP塗層(右) 對血液沾附狀況的測試。Credit:Harvard University

研究人員將有TLP塗層的導管,植入豬的體內,經過八小時,不使用抗凝血劑,也沒有任何血塊產生。此外,TLP塗層的醫療器材,在室溫和一般的濕度之下,放置超過一年,也能正常使用。TLP塗層能抵抗一般醫療器材上的剪切應力,和血液透析設備的血流速率。同時,也證實TLP材料可以排斥凝血成分,像是血小板和纖維蛋白。另外,研究人員嘗試讓綠膿桿菌(Pseudomonas aeruginosa)在上面生長六個星期,結果只有百萬分之一的綠膿桿菌可以黏著在上面。

這麼”滑”的表面,那麼壁虎有辦法在上面爬嗎? 壁虎的腳上面有數以千計像髮絲般細的結構,所以有很強的吸附力,就是為什麼我們可以看到壁虎在90度的牆壁上爬,都不會掉下來。為了解這個問題,研究人員也找了隻壁虎來,放在分別是有TLP塗層的壓克力管內和普通的壓克力管內,將管子從水平慢慢直立,看看壁虎能不能抓住。結果發現,即使有壁虎功,也沒有辦法抓住TLP的表面。

這是醫學器材上很大的突破。研究團隊計劃將這個材料,實驗於更複雜的血液透析設備和葉克膜(ECMO)系統。

醫材的發明,大多是跨領域合作的成績。這項研究的完成,是血液、免疫、表面化學到材料科學專家團隊合作的結果。

文章參考:Harvard University;影片來源: TEDxHavard University;圖片來源:ZEISS MicroscopyHarvard University CC Licensed。

 

 

 

 

 


作者簡介

BioMeder

生醫人網摘的編輯。熱愛創新和用腦袋的事物,堅持文章一定要有邏輯性,藉由追蹤報導生醫領域的創新和應用來傳播知識。