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* 이 저자들은 동등하게 기여했습니다
이 연구는 폐 장치를 프라이밍하여 코팅된 인공 폐 중공 섬유의 방오 활성을 조사했습니다. 이러한 섬유 표면 변형 접근 방식은 실용적이지만 코팅 공정의 효과는 번들 내의 섬유 매트 층 전반에 걸친 이식 범위에 따라 달라집니다.
인공 폐 섬유 다발의 높은 표면적 대 부피 비율이 가스 교환을 향상시키지만, 섬유의 넓은 표면적, 조밀한 배열 및 표면 화학적 성질이 혈전증의 주요 원인입니다. 이를 완화하기 위해서는 표면 화학을 균일하게 수정하여 비특이적 단백질 오염을 효과적으로 줄이는 것이 필수적이며, 이는 혈전증을 제한하고 전신 항응고제로 인한 혈전색전증 또는 출혈의 위험을 낮추는 데 도움이 될 수 있습니다.
이 연구에서는 폴리프로필렌 섬유 다발에 대한 양쪽성 이온 폴리머 그라프트의 적용 및 방오 특성을 조사했습니다. 이식 과정에는 현장 코팅을 위해 인공 폐 장치에 양쪽성 이온 폴리설포베타인 분자와 폴리도파민 링커를 프라이밍하는 것이 포함되었습니다. 방오 성능은 표준 피브리노겐 효소 결합 면역흡착 분석법(ELISA) 및 혈소판 젖산 탈수소효소 오염 분석법을 사용하여 평가되었습니다. X선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy)은 표면 코팅을 확인했으며, 코팅되지 않은 섬유에 비해 코팅된 섬유에서 오염이 크게 감소하는 것이 관찰되어 이식 공정의 유용성과 방오 효과의 가능성을 입증했습니다.
그러나 번들 내 섬유의 코팅 외관 차이는 프라이밍 공정에 의한 코팅에서 발견되었으며, 이는 전반적인 방오 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 이 문제를 해결하면 현장 이식을 통해 변형된 폐 섬유 다발의 방오 효율을 더욱 향상시킬 수 있습니다.
중공사막(hollow fiber membrane)이라고도 하는 인공 폐 섬유는 중환자에게 호흡 지원을 제공하는 체외막산소화(ECMO) 장치를 제작하는 데 필수적인 재료입니다. 이러한 섬유의 여러 층은 가스 교환 장치 역할을 하는 조밀한 다발을 구성합니다. 그러나 고분자 섬유 표면은 혈액 응고 폭포를 활성화하여 혈전 형성(혈전증)을 유발합니다. 인공 표면의 혈전증은 주로 응고 폭포(coagulation cascade)의 활성화에 의해 유발되며, 이는 혈전의 형성으로 이어지는 일련의 복잡한 효소 반응입니다. 혈액이 의료 기기(예: 인공 폐, 스텐트, 카테터)와 같은 이물질과 접촉하면 응고 폭포가 촉발됩니다 1,2. 이 과정은 인공 물질의 표면에 혈액을 노출시키는 것으로 시작되며, 이는 캐스케이드의 고유 경로를 활성화합니다. 이 활성화는 피브리노겐을 피브린으로 전환하는 핵심 효소인 트롬빈의 생성으로 이어져 혈전의 구조적 기초를 형성합니다. 동시에 혈소판이 활성화되고 해당 부위에 응집되어 혈전을 더욱 강화합니다. 그 결과 혈전증이 발생하여 혈류를 방해하고 뇌졸중이나 심근 경색과 같은 심각한 합병증을 유발할 수 있습니다.
인공 표면의 혈전증을 예방하기 위해 헤파린(heparin), 와파린(warfarin) 및 새로운 직접 경구용 항응고제(DOAC)와 같은 전통적인 항응고제가 일반적으로 사용됩니다 3,4. 이러한 약물은 응고 폭포의 다양한 단계를 방해하여 작용합니다. 예를 들어, 헤파린은 트롬빈의 천연 억제제인 항트롬빈 III의 활성을 강화하는 반면, 와파린은 비타민 K 의존성 응고 인자의 합성을 억제합니다. 그러나 항응고제의 사용에는 몇 가지 문제가 있습니다. 첫째, 특정 상황에서 생명을 위협할 수 있는 출혈의 위험을 증가시킵니다. 둘째, 항응고제의 효과는 다양할 수 있으며, 특히 와파린의 경우 정기적인 모니터링과 용량 조절이 필요합니다. 또한 항응고제를 장기간 사용하면 골다공증 및 피부 괴사와 같은 부작용과 관련이 있습니다. 전신 항응고제의 필요성은 또한 출혈 위험이 높은 환자의 의료 기기 사용을 제한합니다.
혈전증은 중공섬유막을 가로지르는 가스 교환을 방해할 수 있기 때문에 생물학적 오염을 방지하기 위해 딥 코팅 및 전기 방사와 같은 다양한 방법을 사용하여 폐 섬유에 방오 코팅을 적용했습니다 5,6. 인공 폐 제조업체는 일반적으로 섬유 제조업체에서 상업적으로 얻은 중공 섬유를 가공하고 고체 코어 주위의 섬유 번들링, 포팅(접착) 번들 끝단, 가스 및 혈류 채널이 있는 하우징 캡슐에 화분 번들 통합, 조립 후 세척 등의 단계를 통해 폐에 조립합니다. 폐에 이식되지 않은 섬유의 코팅은 더 유연할 수 있지만, 사전 번들링 단계에서 표면 변형은 표면 코팅과 다운스트림 공정 환경 간의 기계적 및 화학적 상호 작용을 필요로 하는 여러 제조 단계를 거치게 되며, 이로 인해 혈전증을 제한하기 위해 높은 코팅 커버리지가 필수적인 장치에서 섬유가 벗겨질 수 있습니다. 또는 코팅을 화분에 심은 번들에 적용할 수 있습니다. 완성된 폐를 코팅할 수 있는 능력의 장점은 인공 폐 장치 및 기타 여러 장치의 표면 엔지니어링에 대한 실용적이고 손쉬운 수정 접근 방식이라는 것입니다. 그러나 일반적으로 스프레이 또는 딥 코팅을 통해 코팅을 적용하는 방법은 코팅 자체의 효과보다 혈전증 예방에 덜 중요합니다. 예를 들어, 의료 기기에 사용되는 중공 섬유는 압출 중에 딥 코팅한 다음 매트로 편직하고 다발로 감고 완성된 인공 폐 장치에 통합할 수 있습니다. 대안적으로, 코팅은 장치가 제조된 후에 적용될 수 있습니다. 그러나 핵심 요소는 항혈전 코팅의 효과적인 적용, 내구성 및 효능입니다5. 이는 전신 항응고제가 없는 경우 이러한 코팅의 기능이 혈전 형성을 방지하기 위한 필수 퍼즐 조각이기 때문에 효과적인 혈전증 예방을 보장하기 위해 매우 효율적이고 오래 지속되는 방오 특성이 필요하기 때문입니다.
현재까지 항혈전성 코팅의 적용과 항응고제의 동시 저용량 투여에도 불구하고, 인공 폐 모듈은 혈전증으로 인해 며칠에서 3주에 이르는 비교적 짧은 사용 기간 후에만 교체해야 합니다 7,8. 섬유막의 가스 교환 효율은 섬유의 넓은 영역을 덮고 있는 막성 혈전 구조(섬유소, 단일 세포 및 세포 클러스터로 구성)에 의한 오염으로 인해 상대적으로 짧은 시간 후에 저하되어 가스 확산 장벽9을 증가시킵니다. 일반적으로 사용되는 코팅 유형 및 적용 방법 10,11,12,13,14,15,16,17,18은 생체 적합성 및 내구성과 같은 원하는 특성에 따라 다릅니다. 방오 코팅의 몇 가지 예가 인공 폐 섬유에 사용되었습니다. 여기에는 생체 적합성19, 내구성 및 생물 오염에 대한 내성으로 인해 널리 사용되는 실리콘이 포함됩니다. 폴리우레탄(PU)은 생체 적합성 및 생체 오염에 대한 저항성으로 인해20; 키토산은 생체 적합성 및 항균 특성21,22, 트롬빈을 비활성화하는 헤파린23,8 및 폴리 (에틸렌 글리콜) 25,26, 폴리 (2-메톡시에틸 아크릴레이트) 27 및 포스포릴콜린28,29를 포함한 친수성24 폴리머 기반 코팅으로 인해.
Zwitterionic coatings는 전신 항응고제의 필요성 없이 인공 표면의 혈전증을 줄이기 위한 유망한 전략을 나타냅니다 5,6. 이러한 코팅은 양전하와 음전하를 모두 가진 분자로 구성되어 있으며, 이 분자는 서로 균형을 이루고 친수성이 높고 오염되지 않는 표면을 만듭니다. 이러한 코팅의 양쪽성 이온 특성은 단백질 흡착과 혈소판 접착을 감소시키며, 둘 다 응고 폭포를 시작하는 데 중요한 단계입니다. 혈액 단백질과 인공 표면 사이의 초기 상호 작용을 방지함으로써 양쪽성 이온 코팅은 응고 폭포의 활성화를 효과적으로 억제하고 혈전증의 위험을 줄입니다. 이 접근 방식은 전신 항응고제의 필요성을 최소화할 뿐만 아니라 의료 기기의 장기 사용을 위한 보다 생체 적합성 솔루션을 제공합니다.
이 연구에서는 표면 접착 폴리도파민(pDOPA) 층과 결합된 초저 오염 양이온 폴리(설포베타인 메타크릴레이트)(pSBMA) 코팅으로 인공 폐를 프라이밍하는 효과를 평가했습니다. 장치를 프라이밍한 후 코팅 공정 중 10시간 동안 2분마다 나란히 배치했습니다. 섬유 다발 전반에 걸친 코팅의 잠재적 변화를 평가하기 위해 우리는 표면과 다발 내에 위치한 섬유에서 피브리노겐 및 혈소판 오염을 측정했습니다. 또한, 유량에 노출되기 전과 후의 폐에서 수집된 오염 데이터를 비교하여 오염 방지 성능에 대한 흐름의 영향을 분석했습니다. 복잡한 매체 흐름을 포함하는 장기 항생제 오염 응용 분야의 경우, 양쪽성 이온 코팅은 어려운 작업인 전혈의 오염을 억제해야 할 뿐만 아니라 적용 기간 동안 혈역학적 스트레스 하에서 효과를 유지해야 합니다. 이러한 코팅은 비특이적 단백질 흡착에 대해 강력한 입체 반발을 제공해야 하며 기판과 복합 매체 사이에 수화 필름 장벽을 형성하기 위해 적절한 표면 패킹 밀도를 달성해야 합니다. 더욱이, 이들은 코팅을 기판(30)에 고정하는 링커의 분리되지 않고 표면에 단단히 부착된 상태로 유지되어야 한다. 여기에 설명된 프로토콜은 효과적이고 내구성 있는 표면 보호에 대한 이러한 중요한 요구 사항을 충족하는 코팅의 적용을 보장하도록 설계되었습니다.
이 프로토콜은 뉴헤이븐 대학교(University of New Haven)의 인간 연구 윤리 위원회(Human Research Ethics Committee)의 지침을 따릅니다.
1. 인공 폐 회로의 코팅
참고: 인공 폐 회로는 2단계 zwitterionic DOPA-SBMA 이식 접근법에 따라 코팅되었습니다. 광섬유 번들/산소 공급기 세부 정보는 독점 정보입니다. 코팅된 폐의 방오 활성에 대한 흐름의 영향에 초점을 맞춘 실험에서 산소공급기 및 튜빙 회로(공액 폴리카보네이트 커넥터가 있는 5/16" Tygon 튜빙)에 펌프의 최대 유속 1.22L/min에 의해 제한되는 24시간 인산염 완충 식염수(PBS, pH 7.34, 온도 ~37°C) 유량을 적용했습니다. 맥락을 위해 산소 공급기의 정확한 유속은 환자의 필요와 특정 임상 상황에 따라 다르지만 일반적으로 성인 환자의 경우 2-7L/min 범위입니다. 이 경우 PBS를 사용하여 흐름 후 코팅된 섬유의 주요 혈액 응고 마커 오염을 쉽게 정량화할 수 있었습니다. 코팅된 섬유의 방오 활성에 대한 전단 속도의 영향을 평가하기 위해 전혈 흐름을 사용하는 경우 전혈 오염으로 인한 혼란 효과는 PBS를 사용하여 제거될 것입니다. 인공 폐를 코팅하기 위해 다음 단계가 사용되었습니다.
2. 폐 부검
3. 코팅된 폐 회로 재료의 단백질 오염 평가
4. 방오 활성에 대한 흐름 효과
프라이밍을 통한 인공 폐 회로의 양쪽성 이온 고분자 이식을 위한 프로토콜, 코팅된 섬유 샘플 수집을 위한 장치의 분해 및 단면 섬유의 방오 평가가 제시됩니다. 그림 1에는 인공 폐 회로 접근법의 표면 변형이 설명되어 있습니다. 폐는 라디칼 산소 단일항과 섬유의 상호 작용을 위해 UVO 플라즈마에 노출된 후, 코팅 용액으로 프라이밍하고 UV 광원 ?...
인공 폐의 PDMS 코팅된 폴리프로필렌(PP) 섬유는 오존 노출과 섬유 구조 사이의 관계를 입증하여 자외선 오존 플라즈마에 대한 감작 한계를 설정했습니다. 이 제한은 코팅 재료, 특히 폴리도파민 및 폴리설포베타인 메타크릴레이트를 접목하기 위한 표면 라디칼을 생성하는 데 필요한 노출 시간을 안내합니다. 섬유가 자외선 오존 플라즈마에 20분 미만 동안 노출되었을 때 ?...
저자는 경쟁하는 재정적 이해관계가 없다고 선언합니다. Keith Cook 박사와 David Skoog 박사는 ART LLC의 소유권 지분을 보유하고 있습니다.
이 작업은 NIH 1R01HL140231-01A1에 따른 서비스 계약을 통해 부분적으로 자금을 지원받았습니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Beakers | Thermo Fisher Scientific | https://www.thermofisher.com/search/browse/category/us/en/90094065 | Used in experiments |
Beckman Coulter Allegra X-30R centrifuge | Beckman Coulter | https://www.mybeckman.in/centrifuges/general-purpose/allegra-x-30 | For centrifugations |
Biochemguard BSL2 safety hood | Biochemguard | https://bakerco.com/images/uploads/assets/BiochemGARD_220v_Web_0.pdf | Used for UV light source in graft coating |
Bovine albumin serum (BSA) | Sigma-Aldrich | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/substance/bovineserumalbumin123459048468 | Fibrinogen assay materials |
Citrated pooled male blood plasma | ZenBio | https://www.zen-bio.com/products/serum/human-blood-products.php | Used for experiments |
Citrate-phosphate buffer | Sigma-Aldrich | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/search/citrate-phosphate-buffer?focus=products&page=1&perpage=30&sort=relevance&term=citrate-phosphate%20buffer&type=product | Fibrinogen assay materials |
Dopamine-hydrochloride | Sigma-Aldrich | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/aldrich/h60255 | For coating |
Dopamine-hydrochloride | Sigma-Aldrich | N/A | Fibrinogen assay materials |
Fluorescein conjugated Goat Immunoglobulin G (IGG) | Sigma Aldrich | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/mm/aq303f | For Fluorescence Light Intensity measurements |
Horseradish peroxidase-conjugated anti-fibrinogen antibody | Sigma-Aldrich | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/search/horseradish-peroxidase-conjugated-anti-fibrinogen?focus=products&page=1&perpage=30&sort=relevance&term=horseradish%20peroxidase%20conjugated%20anti-fibrinogen&type=product | Fibrinogen assay materials |
Hot Plate | Thermo Fisher Scientific | https://www.thermofisher.com/in/en/home/life-science/lab-equipment/hot-plates-stirrers/lab-hot-plates.html | Used in experiments |
Human fibrinogen powder | Sigma-Aldrich | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/search/human-fibrinogen?focus=products&page=1&perpage=30&sort=relevance&term=human%20fibrinogen&type=product | Fibrinogen assay materials |
Jelight UVO-Cleaner model 144AX | Jelight | https://www.jelight.com/uvo-cleaner/ | Used for plasma treatment of medical device materials |
LDH assay kit | ABCAM | https://www.abcam.com/en-us/products/assay-kits/ldh-assay-kit-lactate-dehydrogenase-assay-kit-colorimetric-ab102526 | For LDH assay |
O-phenylenediamine (OPD) | Sigma-Aldrich | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/sigma/p9029 | Fibrinogen assay materials |
PDMS coated polypropylene fibers | ART LLC | N/A | Part of artificial lung materials |
Phosphate buffered saline (PBS) | Sigma-Aldrich | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/sigma/p4417 | Fibrinogen assay materials |
Plate Reader (BioTek) | BioTek | https://www.agilent.com/en/product/cell-analysis/real-time-cell-metabolic-analysis/plate-reader-metabolic-assays | For reading Fluorescence Light Intensity |
Polydimethylsiloxane (PDMS) | ART LLC | N/A | Part of artificial lung materials |
Sodium periodate (NaIO4) | Sigma-Aldrich | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/substance/sodiummetaperiodate213897790285 | For coating |
Stockert Shiley multiflow roller pump | Sorin Biomedical | N/A | For flow experiments |
Sulfobetaine methacrylate (SBMA) | Sigma-Aldrich | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/search/sulfobetaine-methacrylate-(sbma) | For coating |
TRIS-buffered saline (pH 8.5) | Sigma-Aldrich | https://www.sigmaaldrich.com/US/en/product/sigma/t8793 | Prepared in the lab from TRIS sachets |
Tygon tubing | ART LLC | N/A | Part of artificial lung materials |
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