摘要

图形摘要：生物心脏瓣膜功能化改性及交联研究进展

四川大学王云兵教授团队最新综述：

瓣膜性心脏病临床表现为原生心脏瓣膜的狭窄和返流，将导致心脏生理功能异常、影响患者正常生活并危及患者生命，是一种高死亡率的心血管疾病。人工心脏瓣膜置换被认为是治疗严重瓣膜性心脏病的黄金标准。近年来，由于经导管心脏瓣膜置换术的临床应用以及生物心脏瓣膜优异的血流动力学性能，生物心脏瓣膜的植入越来越广泛，逐渐成为治疗瓣膜性心脏病的首选。然而，生物心脏瓣膜可能在植入10-15年内发生结构性退化而失效，这与戊二醛交联生物心脏瓣膜的缺陷密切相关，主要包括细胞毒性、钙化、组分降解、机械破损、血栓形成和免疫反应。为延长生物心脏瓣膜的使用寿命，研究人员一直致力于通过对生物心脏瓣膜进行功能化改性和交联以克服其缺点，从而降低瓣膜退化失效的风险。本文对这方面的研究进展进行了综述和分析，主要包括： (1) 基于戊二醛交联生物心脏瓣膜的改性策略；(2) 生物心脏瓣膜的非戊二醛交联策略。

研究内容简介

一、生物心脏瓣膜材料研究背景

瓣膜性心脏病是最常见的心血管疾病之一，在老龄人群中具有很高的发病率和死亡率。瓣膜性心脏病临床表现为原生心脏瓣膜狭窄、返流，将导致心脏生理功能异常，进而影响患者的正常生活并危及其生命。由于没有有效的药物治疗方案，人工心脏瓣膜置换术被认为是目前治疗中、重度瓣膜性心脏病的金标准。随着人口老龄化加剧，瓣膜性心脏病患者的数量将会增加，因此人工心脏瓣膜置换术的需求正在上升。机械心脏瓣膜和生物心脏瓣膜是临床使用的两大类人工心脏瓣膜。机械心脏瓣膜具有良好机械强度和耐久性，但由于外科开胸心脏瓣膜置换手术的复杂性以及机械瓣膜血流动力学性能与原生瓣膜差异较大引起的致栓性，使得其不再适用于开胸手术风险高和终身抗凝治疗禁忌症的患者。与机械心脏瓣膜相比，生物心脏瓣膜具有优越的流体力学性能，其在植入后患者无需终身抗凝治疗。此外，近年来微创介入治疗技术快速发展，经导管主动脉/肺动脉瓣膜置换术已相继获批临床使用，进一步降低了人工心脏瓣膜置入的风险，这使得生物心脏瓣膜的植入越来越广泛。

临床使用的生物心脏瓣膜主要由戊二醛交联的异种生物组织(心包或主动脉瓣)制备而成。戊二醛交联提高了生物心脏瓣膜的基质稳定性、力学性能和耐久性，并降低了异种组织的免疫原性。然而，与戊二醛交联相关的缺陷如细胞毒性、钙化、组分降解、机械失效和免疫反应，会加速生物心脏瓣膜的结构退化和衰败失效，最终大幅缩短生物心脏瓣膜的使用寿命并使患者不得不承受二次心脏瓣膜置换的风险。近年来，为克服生物心脏瓣膜材料的缺点、降低其衰败风险，出现了大量生物心脏瓣膜材料交联及改性的研究工作。基于此，本文主要从两个方面分析和总结生物心脏瓣膜的研究进展：(1)基于戊二醛交联生物瓣膜材料的功能化改性研究进展；(2) 生物心脏瓣膜材料的非戊二醛交联及改性研究进展。

二、基于戊二醛交联生物心脏瓣膜材料的相关改性进展

（一）残留醛基封闭和消除

戊二醛交联可有效提高瓣膜材料的稳定性和力学性能以抵抗体内的酶降解，但在交联过程中不可避免地产生了毒性的残留醛基。生物心脏瓣膜上残留醛基的存在带来了细胞毒性、钙化、血栓和生物相容性下降的缺陷，因此需要对残留醛基进行封闭和消除以克服其带来的风险。目前，对于残留醛基进行封闭和消除策略主要有氨基化合物封闭、还原剂还原以及还原胺化。残留醛基封闭通常是利用氨基化合物（氨基酸、多肽、含氨基多糖和聚合物等化合物）上氨基与醛基之间的缩合反应形成西弗碱从而达到封闭毒性醛基效果；还原剂还原策略旨在采用还原剂（硼氢化钠和氰基硼氢化钠等）将残留醛基还原为羟基从而实现醛基消除；还原胺化策略首先通过氨基化合物与残留醛基反应形成西弗碱，随后通过还原剂将西弗碱还原为胺，从而实现消除残留醛基。通过对毒性残留醛基的封闭和消除，可提升生物心脏瓣膜材料的细胞相容性和抗钙化性能。

（二）多糖表面修饰

生物心脏瓣膜多由动物心包交联制备而成，为胶原基生物材料，一方面其胶原基质上存在矿化区将为瓣膜钙化提供场所，另一方面，胶原基质会吸附蛋白和血细胞而诱导瓣膜血栓形成。一些多糖如海藻酸钠、硫酸软骨素、肝素和透明质酸具有较为优异的 生物相容性和抗凝血性能可用于生物心脏瓣膜的表面修饰改性。通过一系列化学手段将这些多糖修饰到生物心脏瓣膜材料上可抑制钙离子的沉积；另一方面，通过引入这些亲水的多糖可抑制血液成分的黏附进而降低血栓形成的风险。因此通过利用多糖进行表面修饰改性可提升生物心脏瓣膜材料抗钙化和抗血栓性能。

（三）聚合物水凝胶网络修饰生物心脏瓣膜

近年来，研究发现通过原位聚合的方式在戊二醛交联的生物心脏瓣膜中引入互穿聚合物水凝胶网络制备复合的生物心脏瓣膜能够一定程度上改善生物心脏瓣膜的回弹性能、血液相容性、生物相容性和抗钙化性能。此外，随着聚合物网络的引入，赋予了生物心脏瓣膜的良好回弹性能，使得干态压握后的聚合物水凝胶网络复合的生物心脏瓣膜材料在复水后能迅速恢复原始形态，具有制备成干态生物心脏瓣膜的潜力，有望规避瓣膜因戊二醛溶液保存而带来的毒性残留问题。

图1聚合物水凝胶网络修饰生物心脏瓣膜。(A) Reproduced from Journal of Materials Chemistry B 2019;7:1427-1434. (B) Reproduced from Journal of Materials Chemistry B 2020;8:2689-2701. (C) Reproduced from ACS Applied Bio Materials 2020;3:1321-1330. (D)Reproduced from ACS Applied Bio Materials 2020;3:8352-8360.

（四）其他抗钙化策略

除了上述醛基封闭和消除、多糖表面修饰和聚合物水凝胶网络修饰策略外，通过利用表面活性剂（如Tween 80和 TritonX100等）、无机盐（铝盐和铁盐）和醇类（乙醇等）有机物水溶液浸泡处理等策略将戊二醛交联生物心脏瓣膜上促钙化的物质（胆固醇、磷脂、游离脂肪酸和细胞碎片等）移除或屏蔽其钙化位点也能够显著抑制生物心脏瓣膜的钙化。此外，通过热交联技术制备生物心脏瓣膜也可降低瓣膜材料的钙化程度。

三、生物心脏瓣膜非戊二醛交联及改性研究进展

为降低生物心脏瓣膜退化失效的风险，除了对现有戊二醛交联瓣膜进行改性以克服戊二醛交联带来的缺陷外，开展生物心脏瓣膜的非戊二醛交联及改性研究以规避戊二醛交联是近年来的研究热点。 

（一）天然产物小分子交联

图2 天然产物小分子交联结构

天然产物小分子具有来源广泛且具备一定生物活性的优势，近年来一系列天然产物小分子相继被用于交联生物心脏瓣膜。目前，植物多酚原花青素（Procyanidins）、去 甲 二 氢 愈 创 木 酸（Nordihydroguaiaretic acid）、黄酮醇类化合物槲皮素（Quercetin）、姜黄素（Curcumin）、京尼平（Genipin）和木质素磺酸钠（Sodium lignosulfonate）等均能在一定程度上稳定瓣膜的胶原基质，且所交联制备的生物心脏瓣膜材料细胞毒性低、生物相容性好、钙化程度低，为生物心脏瓣膜交联改性研究提供了新的思路。

（二）多糖衍生物交联剂

多糖是一类生物相容性好、免疫原性低和易于改性的天然高分子，其广泛用于构建生物医学材料。通过化学改性手段在多糖骨架上接枝能够与氨基反应的活性基团，构建生物心脏瓣膜的多糖衍生物交联剂并用于替代戊二醛交联剂。目前，主要通过对海藻酸钠、壳聚糖和果胶等多糖进行叠氮化、醛基化和环氧化改性的策略获得具有交联性能的活性多糖衍生物交联剂。多糖衍生物交联的生物心脏瓣膜材料以生物相容性多糖骨架为交联网络可有效抑制钙离子和血液成分的沉积，交联后的瓣膜具备优异的抗凝血和抗钙化性能。

（三）碳二亚胺复合交联

碳二亚胺类化合物与N－羟基琥珀酰亚氨（NHS）联用可活化瓣膜材料上的羧基形成活性中间体并进一步与瓣膜材料上的氨基反应而实现生物心脏瓣膜的交联以稳定瓣膜的胶原基质，且经过碳二亚胺交联的瓣膜具有生物相容性好和抗钙化的性能。通过将碳二亚胺类化合物与姜黄素、硫酸新霉素和五没食子酰葡萄糖等联用可进一步提升瓣膜材料基质上弹性蛋白和糖胺聚糖的稳定性，进而降低其基质组分降解引起的钙化和机械破损的风险。

（四）环氧化合物交联

环氧化合物可与生物心脏瓣膜材料上的氨基、羟基和羧基等反应形成较席夫碱稳定的C-N或者C-O单键以提升瓣膜的稳定性而被用作生物心脏瓣膜的交联剂。相比于传统的戊二醛交联剂，环氧化合物交联的生物心脏瓣膜的生物相容性和抗钙化性能优异。

（五）异氰酸酯化合物交联

异氰酸酯具有强亲电性，对氨基等反应活性较高，其可与氨基、羟基等迅速缩合形成稳定的脲键和氨基甲酸酯键，因此异氰酸酯化合物也可用于生物心脏瓣膜的交联。二元异氰酸酯化合物六亚甲基二异氰酸酯（Hexamethylene diisocyanate）用于交联生物心脏瓣膜能够较戊二醛显著降低瓣膜材料的钙化程度。

（六）光交联

经过维生素B2处理和酪氨酸修饰的生物心脏瓣膜材料，可通过在紫外光光照的条件下实现对瓣膜材料的交联，而且所制备的瓣膜材料生物相容性好，能够更好地促进内皮细胞的黏附和生长。呋喃修饰的大分子在光敏化剂玫瑰红（Rose-bengal）存在的条件下可通过光照实现交联，基于此以带有环氧基团的呋喃衍生物为交联剂在生物心脏瓣膜材料上引入呋喃，随后在光照下实现生物心脏瓣膜的交联；交联后的生物心脏瓣膜与戊二醛交联生物心脏瓣膜相比其钙化程度低、细胞相容性显著提高，这进一步降低了瓣膜退化的风险。

图3 生物心脏瓣膜光交联策略。(A)Reproduced from Xenotransplantation 2019;26:e12481. (B) Reproduced from Journal of Biomedical Materials Research Part A 2022;110:31-42. (C) Reproduced from Biomaterials Science 2020;8:2549-2563.

（七）硅烷偶联剂交联

基于环氧基团与瓣膜材料上氨基等基团的开环反应以及甲氧基硅烷间的聚合反应，王云兵教授团队设计以同时具备环氧基团和甲氧基硅烷基团的化合物3-(2, 3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷为交联剂，利用环氧与瓣膜材料反应引入甲氧基硅烷基团，通过甲氧基硅烷基团间的聚合反应形成交联网络实现生物心脏瓣膜的交联。经过这种硅烷偶联剂交联的生物心脏瓣膜相比于戊二醛交联生物心脏瓣膜具有生物相容性好、稳定性高、抗钙化性能优异的优势，进一步降低了生物心脏瓣膜结构性退化的风险。

（八）噁唑烷交联

噁唑烷类化合物的结构中具有同时与氮原子和氧原子连接的亚甲基碳，其对氨基化合物具有很高的反应活性。基于此，王云兵教授团队设计制备了具备两个噁唑烷结构的双环噁唑烷类化合物，并将其应用于生物心脏瓣膜材料交联研究。经过双环噁唑烷交联制备的生物心脏瓣膜除了具有与戊二醛交联瓣膜相当的稳定性和机械性能，而且还表现出优异的生物相容性、抗钙化、抗凝血性能以及合适的流体力学性能和耐久性，是一种戊二醛交联生物心脏瓣膜的潜在替代物。

（九）邻苯二酚交联

基于邻苯二酚基团在氧化剂存在的条件下发生偶联反应的原理，王云兵教授团队设计以同时具备邻苯二酚和醛基的3，4-二羟基苯甲醛为交联剂，利用3，4-二羟基苯甲醛与瓣膜材料反应引入邻苯二酚基团，随后在氧化剂的作用下通过邻苯二酚间的偶联反应实现瓣膜的交联制备了邻苯二酚交联的生物心脏瓣膜。该方法可有效稳定瓣膜材料基质且所制备的生物心脏瓣膜具备较为优异的生物相容性、抗钙化和抗凝血性能，同时还具备符合ISO 5840-3的流体力学性能。

（十）双键交联

基于碳碳双键的自由基聚合反应具有效率高、聚合产物结构稳定等优势，近年来被广泛应用于生物心脏瓣膜材料的新型交联策略研究。王云兵教授团队率先开展了生物心脏瓣膜的双键交联研究：通过在生物心脏瓣膜基质上共价引入碳碳双键，随后引发碳碳双键间的自由基聚合形成交联网络而实现对生物心脏瓣膜的交联和改性。目前，该团队已经开发了基于甲基丙烯酸酐、甲基丙烯酸缩水甘油醚和甲基丙烯酸异氰基乙酯等的双键交联法。基于碳碳双键聚合，通过引入功能化单体可同时实现生物心脏瓣膜的交联和功能化改性。双键交联制备的生物心脏瓣膜相比传统戊二醛交联的生物心脏瓣膜具备生物相容性好、组分稳定性高、抗钙化的优点，这进一步降低了生物心脏瓣膜结构性退化的风险。随着具有抗凝血等功能单体的引入，双键交联制备的生物心脏瓣膜还表现出优异的抗凝血等性能。此外，双键交联制备的生物心脏瓣膜还具备符合ISO 5840的流体力学性能和优异的耐久性，是一种极具潜力的戊二醛交联生物心脏瓣膜替代物。

图4 基于甲基丙烯酸酐的生物心脏瓣膜双键交联法。(A) Reproduced from Acta Biomaterilia 2018;82:44-55. (B) Reproduced from Chemical Engineering Journal 2021;410:128244. (C) Reproduced from RefMaterials Science and Engineering: C 2021;128:112329.

图5 基于甲基丙烯酸缩水甘油醚的生物心脏瓣膜双键交联法。(A) Reproduced from ACS Biomater Sci Eng 2019;5:1822-1832.. (B) Reproduced from Journal of Biomedical Materials Research Part B; 2022;110:1082-1092. (C) Reproduced from Composites Part B: Engineering 2022;234:109667.

本文的第一作者为四川大学国家生物医学材料工程技术研究中心郑城博士，通讯作者为中心主任王云兵教授。

课题组简介

通讯作者

王云兵教授，国家生物医学材料工程技术研究中心主任、四川大学生物医学工程学院院长、科技部生物材料国际交流合作基地主任、教育部组织再生性生物材料科学与工程创新引智基地主任，国家有突出贡献中青年专家，国际生物材料科学与工程学会联合会Fellow。

王云兵教授长期从事心脑血管疾病治疗的新型生物医用材料及器械的基础研究与产品开发。主持研发出用于冠心病、心脏瓣膜疾病、先天性心脏病、心衰等重大心血管疾病治疗的一系列微创介入心血管材料及器械并临床应用，在国际上开拓了心血管疾病治疗可降解再生修复的新方向。已申报国内、国际专利600多项，国际期刊发表论文近300篇。获教育部技术发明一等奖（2020）、四川省科技进步一等奖（2022）和中国侨界贡献一等奖（2020）等奖项。

资助信息

国家重点研发计划项目(2022YFB3807305和 2022YFB3807303)， 国家自然科学基金面上项目 (32071357)。

原文信息

Cheng Zheng, Li Yang, Yunbing Wang*, Recent progress in functional modification and crosslinking of bioprosthetic heart valves, Regenerative Biomaterials, 2023;, rbad098, https://doi.org/10.1093/rb/rbad098

原文链接

Recent progress in functional modification and crosslinking of bioprosthetic heart valves | Oxford Academic (oup.com) 

https://academic.oup.com/rb/advance-article/doi/10.1093/rb/rbad098/7371305