基于聚乙烯醇/碳纳米管复合冷冻凝胶的生物相容性心血管植入材料：机械性能强化与抗钙化特性研究

本文创新性地采用二甲基亚砜/水(DMSO/H2O)溶剂体系制备了碳纳米管(CNTs)增强的聚乙烯醇(PVA)纳米复合冷冻凝胶。研究表明，添加0.5wt.% CNTs使材料抗拉强度提升59%，兼具优异的抗血小板粘附性和抗钙化特性，为心血管移植物(如人工心脏瓣膜和血管补片)开发提供了新型生物材料解决方案。

　　

1 引言

心血管疾病(CVD)全球年死亡人数达1790万例，人工植入物需求迫切但面临血栓形成和钙化等挑战。传统聚四氟乙烯(ePTFE)等材料存在机械性能与生物相容性难以兼顾的问题。聚乙烯醇(PVA)冷冻凝胶因其三维交联网络结构和70-90%高含水率成为理想候选材料，但机械强度不足限制其应用。本研究通过DMSO/H₂O溶剂体系实现碳纳米管(CNTs)的稳定分散，避免传统化学修饰导致的毒性问题。

2 材料与方法

采用分子量146-186kDa的PVA，在DMSO/H₂O(20:80)混合溶剂中超声分散单壁CNTs(直径1.6±0.4nm)，经-40°C冷冻/8°C解冻循环形成凝胶。通过ATR-FTIR证实羟基氢键(3350-3270cm^-1)和CNTs特征峰(2916/2851cm^-1)；SEM显示DMSO体系形成200nm均质孔隙，显著小于水相凝胶的1-2μm孔径。

3 结果与讨论

3.1 机械性能突破

含0.5wt.% CNTs的复合材料抗拉强度达2.17±0.26MPa，较纯PVA提升59%，延伸率保持535.9±68.8%。循环加载测试显示，在50%应变内无应力松弛现象，优于临床ePTFE的刚性特性(11MPa)。这种强化源于CNTs与PVA链的氢键作用，以及DMSO置换诱导的结晶区增加。

3.2 表面特性调控

接触角测试显示所有材料呈中度亲水性(40.6-46.3°)，但CNTs添加使表面形成纳米纤维结构。细胞实验证实Ea.hy926内皮细胞在PVA-CNT上的粘附数(23.6cells/mm²)虽高于纯PVA，仍仅为培养皿的1/10，这种选择性粘附有利于减少植入后内膜增生。

3.3 卓越血液相容性

关键发现包括：

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  纤维蛋白原吸附量(1.2μg/cm²)仅为ePTFE的1/5

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  血小板富集血浆(PRP)接触后无血小板粘附

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  ADP诱导的血小板聚集率与空白对照无统计学差异

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  溶血率仅0.01%，远低于2%的安全阈值

3.4 体内生物相容性验证

大鼠皮下植入60天后：

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  PVA-CNT周围纤维囊厚度(65±13μm)显著薄于PVA-H₂O(132±33μm)

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  CD45⁺白细胞浸润比例从14天的15%降至60天的7%

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  钙含量检测显示ePTFE达11.72mg/g，而PVA-CNT未检出

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  阿尔新红染色证实无钙盐沉积，区别于ePTFE的界面钙化

4 结论与展望

该研究开创性地通过物理交联策略实现CNTs在PVA基质的均匀分散，解决了传统化学修饰导致的生物毒性问题。材料兼具天然组织相似的力学性能(接近主动脉瓣的1.74MPa)和独特的抗钙化特性，为小口径血管移植物和人工心脏瓣膜开发提供新思路。未来研究可探索电场定向排列CNTs以引入力学各向异性，或结合导电性开发心肌补片材料。