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“当第一次用扫描电镜、观察到血小板膜在超亲水大尺度材料表面上完全覆盖时，我们特别激动，在那一瞬间我们甚至感觉那是一生中见过的最美的照片。 这项研究在全球首次实现了血小板膜在大尺度血液接触类材料表面的功能化修饰，并确保了膜蛋白成分和功能保留。此次提出的改性策略适用于金属、陶瓷、聚合物等多种基底材料，可用于各种血液接触器械，在国际上具有广泛的研究价值和应用价值。”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院院长王云兵表示。
▲图 | 王云兵（来源：资料图） 近日，他和团队以血小板膜为例，制备出大尺度植入器械覆膜涂层。该团队也在深入挖掘其他细胞膜，比如内皮细胞膜、红细胞膜、巨噬细胞膜，以便用类似方法进行覆膜的可行性。
（来源：Matter） 初步结果显示，这一界面驱动的膜融合过程具有普适性。从应用角度来看，目前这类生物覆膜工作在正式应用前，还需进行更多的生物覆膜涂层耐久性、工业化灭菌验证、以及一系列产品生物安全性研究。 一旦克服核心工程化问题，植介入医疗器械经过宏观尺度的细胞膜覆膜涂层改性，穿上一层隐身衣后，覆膜涂层就能在炎症和免疫调节、抗凝血改性、促组织修复等领域产生诸多应用价值。 近日，相关论文以《用血小板膜修饰血液接触装置实现大规模多功能生物界面》（Dressing blood-contacting devices with platelet membrane enables large-scale multifunctional biointerfacing）为题发表在 Cell 姐妹刊 Matter（IF 19.97）上。王云兵教授担任通讯作者，罗日方博士和周仲毅博士担任共同一作 [1]。
▲图 | 相关论文（来源：Matter） 王云兵表示：“Matter 期刊是国际顶级期刊 Cell 的姐妹刊，专注于相关领域内原创性新材料的发现、以及新方法的提出，送审率仅 15% 左右。审稿人对我们的工作给予了高度肯定，充分认可了我们将细胞膜覆膜技术从纳米材料拓展到宏观材料，尤其是针对复杂结构植介入医疗器械，进行细胞膜覆膜改性的创举。” 其中，一位审稿人认为，大尺度血小板膜医用涂层，对于提升特定植入器械的生物相容性和服役性能是一种非常有前途的策略。还有一位审稿人认为，该策略为血液接触材料的理想界面性能的构筑，提供了新尝试。
（来源：Matter）
向免疫系统发送“不要吃我”的信号 由于天然细胞膜具有良好的生物相容性和低免疫原性，目前已广泛用于纳米尺度生物材料的表面修饰，以及药物递送、血管损伤修复、肿瘤成像及治疗、解毒及免疫治疗等研究领域。 常见方法是将细胞膜囊泡与纳米材料共同超声或挤出，从而得到细胞膜包覆的纳米材料，这种包膜手段可在提升纳米材料生物安全性的同时，赋予材料部分天然细胞的特性。 自然状态下，静息的血小板在血液循环中不会被免疫系统识别和清除，这是由于血小板膜表面具有 CD47、CD55、CD59 这些免疫逃逸蛋白，它们会向免疫系统发送“不要吃我”的信号。 将血小板膜包覆在纳米材料表面，即可提升材料在体内循环的长效性。此外，血小板膜表面还含有一些介导细胞粘附的蛋白，可以促进纳米材料向动脉粥样硬化、肿瘤等病灶部位的靶向，从而增强治疗效果。 在前期研究中，该团队认为血小板膜的这些特性，或许会同样有助于提升血管支架、人工瓣膜这些大尺度血液接触类医疗器械，在体内的抗炎能力和调节材料/组织应答能力。 于是，他们设想能否给大尺度血液接触医疗器械穿上天然血小板膜的“外衣”，赋予其优异的免疫逃逸和抗凝血性能？ 基于这一理念，课题组设计出一种将血小板膜包覆在大尺度、且形状复杂的材料表面的策略，并将这种策略应用在血管支架上。经过多次试验，最终成功制备出血小板膜包覆的血管支架。 研究表明，天然血小板膜包覆的支架材料，具有优异的抗凝血和抗炎性能，植入后血管内膜的增生也被有效抑制，降低了支架内再狭窄的风险。 同时，得益于天然血小板膜表面蛋白的保留，可支持支架植入后表面的再内皮化进程，能有效预防晚期血栓的发生，这是目前临床使用的血管支架难以同时达到的性能。
（来源：Matter）
曾开发世界首个用于先天性心脏病治疗的全降解封堵器 多年来，该团队一直致力于围绕植介入心血管器械（血管支架、心脏瓣膜、心脏封堵器、心衰治疗产品）临床所面临的挑战，挖掘背后存在的科学问题，并基于此开展系列基础研究和应用开发研究，此前开发的第一个用于先天性心脏病治疗的全降解封堵器，已于 2022 年 2 月获批上市大规模临床应用。 心血管材料及器械在植入后，面临一些共性的材料/组织应答挑战，主要包括植入早期的急性凝血及炎症应答，以及后续内皮化困难及晚期血栓等挑战。 2018 年，课题组注意到国际上展开的细胞膜改性纳米材料的研究，当时他们就思考是否有可能给心血管植介入器械穿上细胞膜隐身外衣。然而检索后发现，所有研究都只是集中在较容易进行的给纳米尺度的颗粒、或载体进行细胞膜的包裹，未见任何将细胞膜覆膜改性用于宏观尺度颗粒的研究，更别提具有复杂结构的血液接触植介入器械的研究。 进行一系列尝试后，他们发现给大尺度的器械穿上完整连续的血小板膜“外衣”，听起来是个有可能的事，但实际做起来非常困难。 天然细胞膜的覆膜研究，首先会通过反复冻融、低渗或超声裂解等方式获取一些细胞膜的碎片，这些碎片容易通过自驱动的方式，形成纳米细胞膜囊泡结构，因此可通过共挤出、或超声融合的方式，使得纳米尺度的材料比如纳米颗粒、纳米介孔硅材料等被包覆上细胞膜的囊泡。 但是，纳米细胞膜囊泡很难在大尺度器械表面实现均匀覆膜。在探索不同基底和膜的接触融合现象后，课题组发现血小板膜与大尺度材料融合的完整性和稳定性，是由基材的表面性质所决定的，有些材料表面的细胞膜呈现分离不连续，有些呈现多孔疏松结构，有些则聚集成山丘状、凹凸不平。
（来源：Matter） 在随后的研究中，该团队聚焦血小板膜，通过化学表面改性技术反复调试基材的表面形貌、亲水性、表面电荷等性质，来摸索血小板膜与基材的最佳融合条件。这也是研究中最困难的步骤。经过反复尝试，他们终于在一种具有微纳拓扑结构的聚多巴胺超亲水表面上，实现了血小板膜囊泡与基材的融合。 此外，对大尺度血小板膜涂层表面膜蛋白的鉴定，也是研究难点之一。此前很少有对膜表面蛋白鉴定的研究文献可以参考，经过对实验操作和条件的反复摸索，他们最终通过聚丙烯酰胺凝胶电泳、蛋白质印迹法、免疫荧光染色以及石英晶体微天平技术，从多角度验证了膜蛋白在涂层中的保留。
（来源：Matter） 王云兵表示，整个研究有两个时间节点特别令人兴奋。早期，他们曾尝试各种氨基表面、羧基表面、羟基表面等，也摸索过不同电荷密度表面在迎合细胞膜上的差异，做出了“五花八门”的细胞膜涂层，但一直不尽人意。让人难忘的第一个节点出现在 年2020 6 月 16 号，经过近两年的无数次失败试验后，他们终于看到了本文开头的实验结果。 另一个节点是 21 年20 5 月 20 号，当时所有生物学和动物实验结果都已采集完毕，但在细胞膜融合过程模拟、以及膜蛋白鉴定时遇到了困难。 这时，王云兵和团队里的罗日方老师、研究生周仲毅等，利用耗散型石英晶体微天平技术，巧妙验证了膜在超亲水涂层表面的阶段性融合过程，并通过抗原抗体结合的简化模型，探究了不同血小板膜蛋白的有效保留。“这天，我们知道我们终于画出了一副美丽图画的最后画龙点睛的一笔，当时激动得几乎彻夜未眠！”王云兵说道。 据介绍，该团队长期专注于心血管生物医用材料及医疗器械的应用前沿及转化研究，曾开发出可用于先天性心脏病治疗的全降解心脏封堵器、以及用于冠心病治疗的全降解血管支架等多个国际首创产品。 目前，其已申报国内外专利 500 多项、国际期刊发表论文 200 多篇。 年2020获得教育部技术发明一等奖、中国侨界贡献奖一等奖等，已形成了国内国际一流且特色鲜明的心血管材料及器械研究方向。 而基于本次研究，该团队将进一步探究如何通过更加便捷的工程化手段，实现细胞膜在宏观尺度、复杂形状植入器械上的高效稳定及可控覆膜。 此外，在动物试验层面，其打算深入研究不同种属来源（如羊、猪、人等）的细胞膜覆膜器械植入到不同动物体内发生的免疫排斥、炎症应答等情况，以给这类大尺度医疗器械生物膜涂层技术的深度开发和临床应用，提供更扎实的研究储备。  |
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