人工肝的材料研究

人工肝的材料研究

顾汉卿天津医科大学

人工肝作为肝衰竭时人体肝脏的替代装置和肝功能的辅助装置，由于其确切的疗效，有效地提高了肝衰竭患者的存活率，使其在临床得到广泛地应用。

正确地选择、设计和制备人工肝材料是保证人工肝装置安全、有效地用于临床的重要条件。无论是生物型人工肝装置还是非生物型人工肝装置，涉及所使用的材料，从功能上讲虽有一些不同，主要包括二大类。一类是具有生理功能的活细胞和组织，另一类是无药理功能和不参与人体代谢作用的医用材料。为了保证它们在临床使用的安全、有效，国家食品药品监督管理局（简称SFDA）制定了一系列的相关法规、标准与管理要求。对于存活的细胞与组织SFDA 还制定了更严格的管理细则。关于存活的细胞与组织，我们在另外的文章中进行专门的讨论，本文涉及的仅限于无药理功能和不参与人体代谢作用的医用材料。

所谓分类就是按物质的属性进行归纳。人工肝所用的材料按不同属性可以有不同的分类方法。按材料的外形分类，主要有三类：1.膜材料2.球形材料3.纤维材料。

一、膜材料

人工肝以及血液净化的技术基础之一就是各类膜材料的使用。根据浓度梯度、压力梯度的差异，可以按不同溶质的质量传递原理，利用膜分离技术将人体血液中愈量的代谢废物、毒物、致病物质以及其他有害的溶质，从血液中分离出去，恢复血液的正常溶质的浓度，保持血液与人体的正常生理功能。常用膜的形式有两类，一类是平膜，另一类是空心纤维膜。后者由于体积小，表面积大，分离效率高，在临床得到很好的应用。特别是近年来，随着制备技术的不断完善，产品成本的不断下降，人工肝以及血液净化中使用的膜材料几乎已被空心纤维膜完全取代了。

人工肝与血液净化用的制膜材料近年来发生了很大的变化，已从天然纤维素占主流（超过50%）的状况，变为合成材料逐渐占主流，逐步替代天然纤维素材料。表1 列出用于临床的人工肝与血液净化膜材料。

表1 用于临床的人工肝与血液净化膜材料

材料名称制造公司膜的形态

铜氨纤维素德国AKZ0-EnKa 公司空心纤维膜、平膜

血仿纤维素醋酸纤维素日本旭化株式会社德国AKZ0-EnKa 公司

美国Cordis Dow 公司、Baxter 公司

空心纤维膜空心纤维

膜空心纤维膜

聚丙烯腈日本帝人株式会社美国Celanese 公司法

国Rhone Poulen 公司

空心纤维膜平膜平膜

聚甲基丙烯酸甲酯日本东丽株式会社空心纤维膜

乙烯—乙烯醇共聚物日本可乐丽株式会社空心纤维膜

聚碳酸酯聚砜美国膜公司美国Amicon 、德国费林尤斯

公司空心纤维膜空心纤维膜、平膜

选择一种膜材料，首先是要保证其临床应用的安全性，因此它们的生物学性能应符合相关的国际标准ISO10993-1 《医疗器械生物学评价，第一部分评价与试验》（已转化为我国的国家标准GB/T16886.1-2001）的要求；其次它的有效性应符合临床应用的相关技术标准（如：一次性血浆分离器、血液透析器、血液滤过器的国家及行业标准）的要求。就其微观的结构设计而言最主要的技术指标是膜的孔径尺寸与孔隙率。孔径尺寸与孔隙率决定了膜的传质机理，如孔径在50? 左右，此种膜是一类半透膜，只允许小分子溶质及一部分小尺寸的中分子物质通过。它的传质机理是溶质浓度膜向梯度导致溶质的跨膜扩散，这种传质过程就是溶质的透析过程。当膜的孔径扩大，一般平均孔径小于0.1μm，此时，溶质在膜的两侧的压力梯度驱动下随溶液一起跨膜对流，这种传质过程又称之谓滤过。膜孔成了截留不同尺寸溶质分子的筛孔。血液滤过时大尺寸溶质，如：白蛋白，被滤过膜截留。因此，血液滤过时能随滤过液被清除的溶质基本上是小分子与中分子的溶质。特别要看到血液滤过时膜两侧溶质浓度是一样的。血液透析时虽仅能清除小分子的溶质，但溶质从高浓度侧向低浓度侧扩散，因此它对小分子溶质的清除速率比较快，血液滤过小分子溶质的清除速率较慢。若膜的孔径进一步扩大至0.5 至0.8μm 时，此时在较小压力梯度驱动下血液中除血细胞外几乎血浆中所有的组成物均能跨膜对流，使血细胞与血浆分离开，这就是血浆膜分离的原理。孔隙率虽然对于分离特性（指分离多大尺寸的溶质）影响较小，但对于分离

速率（指单位时间内清除溶质的数量）有较大的影响，孔隙率高，分离速度就提高。

除了上述二个参数外，膜的厚度（空心纤维为壁厚）也是很重要的参数。在相同的孔径与孔隙率的条件下，膜厚越小（即越薄）则在相同的操作条件下（指血液流率、透析液流率、负压均相同）扩散速率越大透析清除速率越高。对于血液滤过和血浆分离来说，膜厚对清除速率的影响不如血液透析那么明显。同时要看到，尽管降低膜的厚度有利于提高人工肝和血液净化的效率，但它还受到材料湿态强度的制约。如果一个材料湿态强度较低，在进一步降低膜的厚度，就会在压力的作用下

导致破膜，不得不终止治疗，造成安全性方面的隐患。所以对每一个接受人工肝和血液净化治疗患者，我们要根据治疗的要求学会正确的选择材料参数，保证安全、有效地进行临床治疗。除了上述三类膜材料外还有几种特殊性能的膜材料，在人工肝的治疗中也有重要的应用。

1．氧合膜

生物人工肝需要相当数量的肝细胞，大量的细胞需要足够的营养与氧的供应。特别是氧的供应，仅仅依靠培养液中溶解的氧气而没有持续的氧供应，很难支持这么多肝细胞维持正常的生理功能。因此一个理想的生物人工肝用的生物反应器应当有持续性氧供应装置。由氧合膜构成的持续性氧供应装置是较理想的装置。有两种膜可供选择，一种是双向拉伸的聚丙烯膜，另一种是涂布硅橡胶的聚砜膜。与平膜相比空心纤维的氧合膜较为理想，不仅体积小，易于灭菌，还可持续使用，而且拆装方便，便于更换。

2．滤过吸附膜

为了提高对肝衰竭患者体内胆红素的清除，近年来不少专家致力于研究、开发一类新的胆红素清除技术：滤过吸附，即在进行血液滤过的同时有效地清除胆红素。已开发的膜材料有以聚赖氨酸和季铵盐为配基的纤维素膜，它对磷酸缓冲液（PH7.4）及人血清白蛋白溶液中的胆红素清除分别达到70%和50%以上。以牛血清白蛋白为配基的乙烯乙烯醇膜对胆红素的吸附达到25mg/g 。一种将染料Cibacron Blue F3GA 共价结合到聚酰胺空心纤维上制成吸附膜对人体血浆中非特异吸附的胆红素吸附量达48.9mg/g 。一种以硅胶粒子为致孔剂制成的壳聚糖

微孔膜对胆红素能有效地清除。除外，许多作者研究了染料Cibacron Blue F3GA 在多种材料制成空心纤维上固载，研究它们对胆红素的清除。如：用它共价结合在壳聚糖改性的尼龙膜上对胆红素的特异性吸附可达142.9μmol/g 。而这种染料固定在经聚乙烯醇处理的微孔聚四氟乙烯膜上对胆红素的吸附达76.2mg/g 。还有人研究了TiO2 纳米晶体膜对胆红素的吸附虽只有17.08 mg/g ，但在此膜上吸附的胆红素可利用紫外线照射氧化分解清除，可重复使用。

3．微囊膜（高通透性、血液相容性膜）

为了清除肝衰竭患者血液中的有害溶质，常采用吸附剂直接血液灌流效果较好。许多吸附材料进行血液灌流时常会造成吸附材料表面的微粒脱落，脱落的微粒进入血液后多在肺部毛细血管中沉积，导致诸多的并发症。防止吸附剂微粒脱落的最有效的方法，就是用高通透性、血液相容性的膜材料对吸附材料表面进行微囊化。最经典的微囊膜是火棉胶（硝化纤维素）白蛋白，近年来还开发了以聚乙烯醇为底物的接枝共聚物TM-6 树脂，已在临床广泛应用。包膜后不仅微粒脱落达到药典（05 年版）的要求，而且血液灌流时血小板的下降率达10% 以下，包膜后吸附率下降不超过10% 。文献中还有报道采用亲水性聚氨酯、亲水性硅橡胶等多种材料作为微囊膜材料。

4．细胞生长膜材料

用空心纤维膜材料作为生物反应器是生物人工肝常用的方式之一。纤维外生长肝细胞，治疗时纤维内流动血液。空心纤维不仅作为肝细胞生长的载体，而且也成为有效的物质传递的渠道和免疫隔离屏障。其中使用最多的膜材料为孔径在0.1μm 左右的醋酸纤维素制成的空心纤维生物反应器。近年聚砜的空心纤维生物反应器也得到了推广运用，也有作者使用其他材料，如聚乙烯-乙烯醇制成的生物反应器。

二、球形吸附材料

血液灌流和血浆灌流是人工肝和血液净化常用的方法之一。它们的技术基础就是各种吸附材料的应用。球形材料由于它们的流体阻力小，灌流时相互碰撞及摩擦时作用力较小，不易产生微粒脱落特别在进行血液灌流时不易造成血细胞的损伤，因此目前人工肝和血液净化使用的吸附剂基本上都是球形材料。为了保证各类球形吸附材料临床使用的安全有效，除了应按照相关标准进行生物学评价

外，还应符合国家食品药品监督局制订的《一次性使用血液灌流器》的行业标准。

近年来各类球形吸附剂的研究进展迅速。已从非特异性广谱吸附剂向特异性的专一吸附剂发展，从非生理性的吸附剂向生理性的吸附剂发展。尽管如此，一些基本科学问题的把握仍然是人工肝和血液净化治疗中选择、设计和制备适宜的球形吸附材料的关键。

肝衰竭患者体内血液中愈量的代谢废物、有害物质、致病因子的种类繁多，结构与组成各不相同，因此对它们清除选择的球形吸附剂各不相同。球形吸附剂一定要根据清除对象的特点：它的化学结构特点、极性、分子量大小来选择或设计制备。球形吸附剂清除亲水性非极性溶质（如巴比妥类、安眠药），一般选择亲水性较好的活性炭球形吸附剂。清除酯溶性非极性溶质（如有机磷类农药），选择亲酯性较好的聚苯乙烯类多孔树脂球形吸附剂。清除极性较强或具有特定结构的溶质（如含苯环的氨基酸），应选择具有同类结构的单体制备的球形多孔吸附剂（如苯乙烯单体制备聚苯乙烯树脂）。还应根据溶质不同的电性，选择不同的电性的球形吸附剂，大孔聚苯乙烯阴离子交换树脂，可吸附间接胆红素，大孔聚苯乙烯阳离子交换树脂可吸附直接胆红素，二者复合的球形吸附剂，则既可吸附直接胆红素又可吸附间接胆红素。还宜注意：不同分子量的溶质要选择不同孔径大小的球形吸附剂，中等分子量以上溶质的清除选择球形吸附剂的孔径一定要显著地大于吸附小分子量溶质的球形吸附剂。否则达不到有效的吸附。

除此之外，球形吸附剂的一些重要技术参数要引起我们的重视。吸附剂的孔径及其分布一定要与拟清除溶质的尺寸相匹配，清除溶质的分子尺寸加大，球形吸附剂的平均孔径要加大。这二者之间尺寸的匹配的具体关系，应当由实验来加以确定。球形吸附剂的孔隙率与比表面积，只有在高的孔隙率和适宜的孔径及其分布的条件下，提高比表面水平，才能提高球形吸附剂的对溶质吸附速率。它们之间同样有一个适宜的关系，也需要由实验来加以确定。

球形吸附剂的微结构也很重要。有一些球形吸附剂，平均孔径合适，也有很高的比表面，进行吸附动力学研究时发现它们的吸附速率很快就达到“饱和”而降下来了。进一步的电镜研究发现此类球形吸附剂虽然孔径分布非常均匀，比表面积也很高，超过1000m2/g。但由于比表面积很高，平均孔径过小很难在较短的时间内让大量的溶液进入到球形吸附剂的内部。能吸附溶质的有效表面积过小，

导致很短的时间内球形吸附剂已吸附“饱和”了。实际上未“饱和”，只是溶液未能进入内部表面，内部相当多的表面积被“闲置”未发挥吸附溶质的作用。看似“饱和”，实际上是“闲置”。进一步研究表明：若利用“活化”技术，在分布均匀的孔隙之间建立若干条直径比平均孔径大得多的通道，利于溶液进入球形吸附剂深部，虽然比表面积会下降一些，一般下降不到100m2/g，但此时球形吸附剂的吸附速率（单位时间内吸附溶质的量）以及吸附容量（单位重量或体积球形吸附剂吸附溶质的饱和量）均会大幅度提高。球形吸附剂的堆密度（单体体积的重量）以及平均粒径，也是很重要的参数。特别是其堆密度和血液或血浆的密度相近时，进行血液灌流或血浆灌流时，在相同的操作条件下，球形吸附剂对血细胞的破坏和对血浆蛋白的变性影响最小。一般也需要进行实验加以确认。近年来文献中报道了一些具有生理功能和特殊性能的球形材料，在人工肝和血液净化中获得很好的应用，特别是在生物人工肝的研究中得到应用。

1．细胞培养微球

由于生物型人工肝的临床应用需要培养大量的具有生理功能的肝细胞。为了建立肝细胞的工作库，进行大规模地肝细胞培养，在微球表面进行培养是有效的方法之一。文献报道有采用琼脂糖微球、葡聚糖凝胶微球。近期开发了一种聚N-异丙基丙烯酰胺水凝胶微球，它的分子结构中具有疏水性的异丙基和亲水性的酰胺基，它们分别位于凝胶网络中疏/亲水区域，且存在亲/疏水平衡。这种凝胶中存在二种氢键：水分子和高分子链之间的氢键以及高分子链之间的氢键。导致在最低临界溶解温度（LCST）附近存在可逆的不连续的体积相转变，当环境温度稍稍高于LCST 时，其体积会剧烈收缩；当环境温度降至LCST 以下时，水凝胶会重新溶胀。利用这样一个特点，使在微球表面大量增殖的肝细胞在LCST 附近迅速地与微球分离，分离的肝细胞保持其生理活性，可以直接作为生物人工肝所需的细胞使用。不必经过胰酶的消化，从微球表面分离，再贴壁培养以保持肝细胞的生理功能。

2．微囊微球

肝细胞另外一种培养方法，通过微囊技术，使细胞在微囊内相对稳定的生理环境条件下，培养增殖，营养和氧通过微囊膜进入囊内，肝细胞的代谢物和分泌物可通过微囊膜从囊内向环境传递。这种人工细胞的培养源于上世纪七十年代，

近年又有新的发展。传统的微囊材料多采用海藻酸-聚赖氨酸系统。细胞经海藻酸与钙离子固定成球，用聚赖氨酸形成微囊。海藻酸液化后肝细胞在培养液中增殖。我国学者提出了用壳聚糖替代聚赖氨酸，进行肝细胞的微囊培养取得成功，有效地降低了培养成本。微囊肝细胞培养技术是一个经典的细胞培养技术，如何规模化的进行微囊肝细胞培养仍有许多新的关键技术需要突破。

3．专一性微球吸附剂

近年来研究开发了许多具有一定生理功能，专一性的球形吸附剂。与前述的球形吸附剂不同，前述吸附剂主要利用了分子间力来吸附清除溶质多为广谱的，专一性较差。而此类球形吸附剂专一性非常强。如：固定乙肝病毒表面抗原抗体的微球，由于微球表面固定了抗体，它和乙肝病毒表面抗原有专一性的结合作用，因此它能迅速地专一地通过连接乙肝病毒表面抗原，将病毒从血液中分离出来。再如：固定多粘菌素（PMB）短肽的球形吸附剂，PMB 具有阳离子性环肽10 缩氨基酸结构，内毒素表面的脂多糖由多糖O-抗原，核心多糖以及类脂A 三部分组成。PMB 的结构特点使其与脂多糖的类脂A 有高度亲和吸附作用，进而有效地清除患者体内的细菌内毒素。

4．肝细胞代谢物球形清除剂生物人工肝由于有相当数量的肝细胞，这些存活肝细胞代谢的产物大多存留在培养液中，如不

及时的清除，则会对正常肝细胞产生毒副作用，影响肝细胞发挥正常的生理功能。因此一个理想的生物人工肝系统，应当配置有肝细胞代谢物的清除系统。目前较理想的肝细胞代谢球形清除剂多采用球形炭化树脂，它们具有较好的生物相容性和广谱的吸附特点，能将生物人工肝生物反应器中的肝细胞代谢物迅速地吸附清除掉，保持培养液中溶质稳定浓度，利于肝细胞的存活。

三、纤维材料

人工肝装置几乎不使用纤维材料。近年来随着生物人工肝的发展，特别是组织工程技术的快速发展。许多学者致力于生物反应器的研究，提出采用纤维材料作载体进行肝细胞的培养。近年来，随着生物相容性优异的生物降解材料的开发和新型纺丝技术（如：静电纺丝技术）趋于成熟。研究开发了许多由生物降解材料纺丝制成的无纺布，由它们制成的肝实质细胞与肝间质细胞混合培养的支架材料，在适宜的条件下培养，二种细胞增殖形成和人体肝组织结构组成类同的组织

工程肝脏，支架材料随着新生肝组织的形成而逐渐降解、吸收。这种肝实质细胞和间质组织混合培养的组织工程肝组织，能很好的保持肝细胞的正常生理功能，易于大量培养，是生物人工肝，很好的肝组织源的制备方法之一，很有发展前景。

综上所述，人工肝使用的材料众多，关键是要从患者病情治疗的实际出发，制定合理的人工肝治疗方案，在此基础上，正确地选择相关的材料，把握治疗时机，保证安全、有效地实施治疗，生物医学工程科技工作者有责任与临床配合不断地创新，开发新的人工肝装置，使我国人工肝治疗技术达到国际先进水平。