心脏瓣膜疾病（VHD）作为威胁人类健康的重要心血管疾病，其治疗依赖于心脏瓣膜置换手术这一 “金标准”。当前，生物人工心脏瓣膜（BHVs）凭借优异的血流动力学性能及无需终身抗凝的优势，通过经导管主动脉瓣置换术（TAVR）在临床广泛应用，主要由戊二醛（GA）交联的脱细胞猪或牛心包制备而成。然而，GA 交联在赋予胶原纤维化学稳定性和机械强度的同时，不可避免地引发细胞毒性、血栓形成、免疫排斥、钙化沉积、组件降解及机械失效等系列临床挑战，导致 BHVs 通常在植入 10-15 年内因结构性退变失效，难以满足年轻患者对长期疗效的需求。
成都奥创生物参与了名为《Engineering of bioprosthetic heart valves with synergistic zwitterionic surface modification and zirconium cross-linking for improved biocompatibility and durability》的实验项目，这项研究提出两性离子表面修饰与锆离子（Zr4+）交联的协同策略，通过构建均质交联网络，同步提升 BHVs 的抗血栓、抗钙化、促内皮化及机械性能，为解决传统 BHVs 的临床局限性提供了新思路。
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文章名：
Engineering of bioprosthetic heart valves with synergistic zwitterionic surface modification and zirconium cross-linking for improved biocompatibility and durability（构建协同两性离子表面修饰与锆交联的生物假体心脏瓣膜以提升生物相容性与耐久性）
Advanced Functional Materials ( IF 18.5 ) Pub Date : 2025-05-05
Publisher: Elsevier
期刊：Acta Biomater（9.6）
Date: Available online 7 June 2025
DOI: 10.1016/j.actbio.2025.06.010
挂名引用：
生物人工心脏瓣膜（BHVs）是治疗心脏瓣膜疾病的重要手段，目前主流的戊二醛（GA）交联 BHVs 面临血栓形成、钙化、免疫反应、内皮化不良、感染及机械失效等临床挑战。这些问题的核心在于传统交联方法导致的胶原纤维异质交联，无法同时满足生物相容性和耐久性需求。尽管非戊二醛交联剂已被探索，但如何实现胶原纤维网络的均匀交联仍是关键难题。
本研究提出两性离子表面修饰与锆离子（Zr4+）交联的协同策略，通过构建均质交联网络，同步提升 BHVs 的抗血栓、抗钙化、促内皮化及机械性能，为解决传统 BHVs 的临床局限性提供了新思路。
图一 示意图：
图二 表面改性和交联机制的表征：
图二 (a)D-PP、PGSB PP和PGSB/Zr-PP的ATR-FTIR光谱，(b)这些光谱的部分放大。(c)D-PP、PGSB-PP和PGSB/Zr-PP的XPS全扫描光谱。(d)D-PP、PGSB-PP和PGSB/Zr-PP表面的高分辨率XPS光谱，包括N 1s、C 1s和S 2p电子。(g)PP样品的EDS线扫描分析示意图。通过EDS线扫描分析得到的(h)Zr-PP和(i) PGSB/Zr-PP的Zr分布横截面。(j)由微切片冷冻机分离的三层PP样品的示意图。通过ICP−OES测定(k) Zr-PP和(l) PGSB/Zr-PP中的Zr含量（n = 6）。
图三 PP样品的表面特性、结构稳定性和机械性能的表征：
图三 (a)D-PP、GA-PP、PGSB-PP和PGSB/ZrPP表面的SEM图像，插图显示了WCA值。(b)通过DSC测定的DPP、GA-PP、PGSB-PP和PGSB/Zr-PP的热收缩温度（n = 6）。(c) GA-PP和(d) PGSB/Zr-PP的表面层、中间层和底层的热收缩温度（n = 6）。(e)D-PP、GAPP、PGSB-PP、Zr-PP和PGSB/Zr-PP在与100 U/mL I型胶原酶溶液共培养5天后的失重率。N.D.表示未检测到（n = 6）。(f)GA-PP和PGSB/Zr-PP在SD大鼠皮下植入30天前后的Masson三色染色图像。(g)D-PP、GA-PP、PGSB-PP、Zr-PP和PGSB/Zr-PP的应力-应变曲线、(h)最大拉伸强度和杨氏模量，以及(i)断裂伸长率和韧性（n = 6）。(j)传统GA交联策略与这种协同PGSB/Zr交联策略的机械性能对比。
图四 PGSB/Zr-PP对革兰氏阴性大肠杆菌和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌的抗菌及抗生物膜活性。
图四 (a)显示了大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在D-PP、GA-PP、PGSB-PP、Zr-PP和PGSB/Zr-PP表面培养24小时后的菌落形成情况。黄色数字表示杀菌率，以D-PP为对照（n = 6）。(b)同一PGSB/Zr-PP样品对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的循环抗菌活性，通过20个循环（n = 6）。(c)PGSB/Zr-PP可能的抗菌机制示意图。(d)在高浓度金黄色葡萄球菌和大肠杆菌悬浮液中培养7天后，GA-PP和PGSB/ZrPP上生物膜形成的SEM图像。
图五 体外血液相容性和抗血栓性评估：
图五 (a)FITC-FGN吸附实验后，GA-PP和PGSB/Zr-PP的荧光图像。(b)使用微BCA蛋白测定法对吸附在GA-PP和PGSB/Zr-PP表面的FGN进行定量分析（n = 6）。(c)血小板粘附实验后，GA-PP和PGSB/Zr-PP的SEM图像。(d)使用LDH测定法对粘附在GA-PP和PGSB/Zr-PP上的血小板进行定量分析（n = 6）。(e)在体外动态人体血液循环模型中暴露后，GA-PP和PGSB/Zr-PP的代表性图像。(f)GA-PP和PGSB/Zr-PP上的血栓重量量化（n = 3）。(g)体外血液循环实验前后，GA-PP和PGSB/Zr-PP的代表性照片。(h)GA-PP和PGSB/Zr-PP上的血栓重量（n = 6）。(i)体外血液循环实验后，GA-PP和PGSB/Zr-PP的SEM图像。
图六 体外细胞相容性和促内皮化潜力的研究：
图六 (a)GA-PP和PGSB/Zr-PP提取液对L929细胞和HUVECs的细胞毒性研究示意图。(b) L929细胞和(c) HUVECs在与提取液孵育3天后的存活率（n = 6）。(d) L929细胞和(e) HUVECs在与提取液孵育3天后的荧光图像。(f)通过直接接种HUVECs评估PGSB/Zr-PP和GA-PP表面内皮化潜力的示意图。(g)通过CCK-8测定法，确定了在GA-PP和PGSB/Zr-PP表面生长1天和3天后HUVEC的增殖率（n = 6）。(h)在GA-PP和PGSB/Zr-PP表面培养3天后，用DAPI（核，蓝色）和TRITC-鬼笔环肽（细胞骨架，绿色）染色的HUVECs的荧光图像。
图七 体外炎症潜能、体内免疫应答和体内抗钙化特性的评价：
图七 (a)在SD大鼠皮下植入GA-PP、Zr-PP和PGSB/Zr-PP后7天和28天，周围组织的CD3和CD68免疫组化染色代表性图像。通过积分光密度法（n = 6）确定了(b) CD68和(c) CD3在相应组织中的阳性率。(d)在SD大鼠皮下植入GA-PP、Zr-PP和PGSB/Zr-PP后30天和90天的茜素红染色图像。深红色区域代表钙化沉积。(e)通过ICP−OES（n = 6）测定的GA-PP、Zr-PP和PGSB/Zr-PP在植入30天和90天后的钙含量。
图八 23毫米PGSB/Zr-PP基主动脉BHV原型的流体动力学性能和耐久性评价:
图八 在不同心脏输出量、平均主动脉压力和心率条件下，水动力性能如下：（a-c）有效孔口面积（EOA）；（d-f）背漏分数（RF）；（g-i）静脉瓣压力梯度（TPG）。在模拟生理条件下（心脏输出量：5 L/min；平均主动脉压力：100 mmHg；心率：70bpm)的水动力性能如下。不同的疲劳循环类型包括：(j) EOA；(k) RF；(l) TPG。
本研究通过两性离子表面修饰 - 锆交联协同策略，成功制备了兼具优异生物相容性与耐久性的 BHVs。该材料在抗血栓、抗钙化、抗菌及力学性能方面均优于传统 GA 交联瓣膜，并通过 ISO 标准的流体力学与疲劳测试。具有广阔的发展前景。
