2.4 血液相容性
2.4.1 血液相容性相关的血液组分［16］
血液与生物材料相互作用引起的凝血过程主要为：在材料表面与血液接触的数秒钟内，首先是血浆蛋白的吸附，然后是血小板粘附、激活，同时启动凝血过程中的级联反应，使纤维蛋白原转变为纤维蛋白网络，形成血栓。目前，对血液相容性的研究主要集中在红细胞、血小板、白细胞、细胞因子、血浆蛋白、免疫系统和血流动力学等方面。
（1）血浆蛋白。血浆蛋白主要有纤维蛋白原（Fg）、纤维结合素（FN）、VWF因子、玻璃体结合蛋白（VN）、胶原、血小板反应素等。当生物材料与血液接触时，发生的最初的反应是来自周围血液的蛋白吸附，形成10 nm左右的单分子蛋白吸附膜。这层蛋白吸附膜不但可以调节血小板在材料表面的吸附和激活从而调节血液的凝集性能，同时也可以调控补体的激活和细胞的粘附。
（2）红细胞。人的红细胞是双面凹的圆饼状，边缘较厚，而中间较薄，所以可以最大限度地从周围摄取氧气。同时它还具有柔韧性，这使得它可以通过毛细血管释放氧分子，氧分子直径通常是6～8 μm。由于红细胞形状特别而且体积比较小，所以比表面积较大，氧气以及二氧化碳能够快速地渗透细胞内外。人的红细胞内所含的血红蛋白占血球总量的30%以上，红细胞破裂，血红蛋白溢出，称为红细胞溶解，简称溶血，可由多种理化因素和毒素引起。
（3）血小板。血小板是哺乳动物血液中的有形成分之一，形状不规则，比红细胞和白细胞小得多，无细胞核，一般呈圆形，体积小于红细胞和白细胞。血小板具有特定的形态结构和生化组成，在正常血液中有较恒定的数量，在止血、伤口愈合、炎症反应、血栓形成及器官移植排斥等生理和病理过程中有重要作用。血小板结构复杂，简言之，由外向内为3层结构，第1层为由外膜、单元膜及膜下微丝结构组成的外围；第2层为凝胶层，电镜下显示为与周围平行的微丝及微管构造；第3层为微器官层，有线粒体、致密小体、残核等结构。血小板膜是附着或镶嵌蛋白质双分子层的脂膜，膜中含有多种糖蛋白，目前已知糖蛋白Ⅰb与粘附作用有关，糖蛋白Ⅱb/Ⅲa与聚集作用有关，糖蛋白Ⅴ是凝血酶的受体。血小板膜外附有由血浆蛋白、凝血因子和与纤维蛋白溶解系统有关分子组成的血浆层（血小板的外覆被）。
血小板的主要功能是凝血和止血，并修补破损的血管。血小板的表面糖衣能吸附血浆蛋白和凝血因子Ⅲ，血小板颗粒内含有与凝血有关的物质。当血管受损或破裂时，血小板受刺激，由静止相变为机能相，迅即发生变形，表面粘度增大，凝聚成团；同时在表面第Ⅲ因子的作用下，血浆内的凝血酶原变为凝血酶，后者又催化纤维蛋白原变成丝状的纤维蛋白，与血细胞共同形成凝血块止血。血小板颗粒物质的释放，则进一步促进止血和凝血。血小板还有保护血管内皮、参与内皮修复、防止动脉粥样硬化的作用。
（4）白细胞和补体。所有的生物材料几乎都能激活中性粒细胞和单核细胞。其中最主要的血栓生成标记是CD11b水平的上调和组织因子的表达。CD11b包括整合素、Fg受体、iC3b和因子Xa，受激后可以快速转移到细胞表面。补体激活发生于血透、瓣膜置换、心肺旁路手术等多种治疗过程中。升高最明显的是SC5b-9水平以及C3b的裂解产物iC3b和C3d水平。过去认为材料导致的补体激活仅通过旁路途径起作用，现在发现其也通过经典途径发挥作用。大量的体外试验表明该途径的激活是通过Ig G发挥作用的［17］。补体活化对白细胞和血小板的激活产生重要影响。
2.4.2 生物材料的表面结构与抗凝血之间的关系
血栓的形成过程由材料表面的界面性能所决定，如材料表面的物理形态、化学性能、表面能量、表面电性等。因此，对材料表面的界面性能的表征进行研究，探讨其与材料血液相容性的关系，可为设计理想的生物材料提供依据。材料的表面性能的表征主要包括四个方面：表面物理形态、化学结构、表面电性能和表面张力与界面自由能。
（1）表面物理形态。生物材料的表面物理形态主要包括粗糙度、曲面曲率和特定几何形态。调控构建这些结构特征可以研究材料表面物理拓扑结构对蛋白质吸附行为产生的影响。生物材料的表面粗糙度对血液相容性有一定的影响，材料表面应该避免使血液产生停滞或涡流，粗糙度过高的材料容易引起凝血。
有研究者通过对血管表面进行研究后提出：具有表面宏观光滑、微观多相分离结构的材料具有优良的血液相容性。生物体血管内壁宏观上看是极其光滑的，微观上看血管壁由皮细胞表面膜系一个双层脂质的液体基质层、中间镶嵌膜内粒子的各类糖蛋白和糖脂质构成，这种宏观光滑、微观多相分离的结构，使其血管壁具有良好的血液相容性。相分离时，对条纹结构而言，层隔为300～500 Å时显示出较好的血小板抑制效果，但层隔增大时，血小板的粘附数增加，对于海岛结构的岛的尺寸为0.2 μm最佳，岛的尺寸增加，也会使血小板粘附增加，变形增大。
相分离具有良好血液相容性的原因可能有三个方面：①材料表面呈现某种特定形态，表面软链段富集，能优先吸附血浆蛋白中的白蛋白，这种白蛋白表面能抑制血小板粘附，防止凝血；②具有微相分离结构的材料表面很少使血小板变形，因此能抑制血小板血栓的形成；③膜表面有软段富集效应，这种软链段区遮盖硬链段区的特点是能降低凝固因子的接触活化。
（2）化学结构。含水或亲水性材料表面具有较好的抗凝血性能，这可从血管壁的结构得到解释。众所周知，血管壁具有良好的血液相容性，只要了解血管内壁的形态，就能更好地了解含水结构对血液相容性的影响。血管壁内皮细胞最外层含有大量的碳水化合物，如含有羟基基因的糖链，它处在异常的吸水膨润状态，向细胞外液伸展，该糖链富含水，类似于水凝胶，厚度为100～300 Å，凝胶层的水与血管内皮、血小板、红细胞中的水处于同一状态，因而血管内皮、细胞成分和血的界面能极低，低界面上无蛋白质吸附和变性，因而不会吸附血小板，不会形成凝血因子，具有较好的抗凝血性能。一般而言，水凝胶中的含水率影响血小板的吸附与变性。
材料表面与血液接触后，由于血液中蛋白浓度大于血小板，蛋白扩散速率也大于血小板，所以材料表面首先吸附血浆蛋白，而后是血小板粘附，再释放血小板因子而凝血。一般而言，亲水性表面要比疏水性表面吸附蛋白量少，但也有人发现，不同性能的材料表面表现出对不同蛋白的吸附性能，如：白蛋白易吸附在亲水区，可阻止血小板粘附；Υ-球蛋白在疏水区被吸附，易使血小板粘附。
而超疏水表面同样具有较好的血液相容性，可能是因为界面自由能太大，所以蛋白不易在表面吸附，即材料表面与蛋白或血小板之间的粘附功远远小于血液内部的内聚功。材料表面亲/疏水键段的运动能力亦是影响抗凝血性能的一个重要因素，只要其表面高分子键段的运动接近液体状态，血小板就很难粘附在这类材料的表面，即使材料的含水率一样，表面分子运动能力强的材料上所粘附的血小板亦小。若将材料表面分子的运动与上述水的运动情况结合起来考虑，对研究血小板在材料表面的粘附问题是很有意义的。
（3）表面电荷。正常血管壁内皮ζ电位为-13～-8 mV，血管内皮细胞损伤后胶原组织外露，ζ电位变为正电，随即形成血栓。由细胞电泳的测定可知：红细胞、白细胞、血小板在泳场中均向阳极移动，它们的表面均带负电荷。对凝血影响较大的血小板进行研究后证明，血小板表面含有唾液酸而带负电荷。因此，带负电的红白细胞、血小板在带有适当负电荷的材料表面上，粘附较为困难，但是容易粘附在表面带有正电荷的材料上，进而引发凝血与血栓形成。从减少血小板粘附的角度看，负电荷表面可以提高材料的抗凝血性。玻璃、陶瓷表面虽带负电荷却引起强烈凝血的原因是激活凝血因子Ⅶ而导致内源性凝血途径的激活，这意味着表面带有负电荷的材料不一定就具有良好的抗凝血能力。为了抑制血小板的粘附，材料总体呈负电性，而在局部微观上为防止凝血因子活化，在100埃范围内带正电荷。但是不管材料带哪种电荷，大量实验发现，加大材料表面的电荷密度，均能损伤血小板的功能，因此，电荷密度也是影响生物材料的血液相容性的重要因素。
（4）表面张力与界面自由能。表面张力是指物质表面层微粒间存在的一种平行于表平面的力。它导致液体表面的紧缩，从而维持了最小比表面积的一定界面，即表面张力的大小反映了表面自动收缩趋势的大小。比表面自由能是表示产生单位面积新表面使体内增加的自由能，或者表示物质在本体相内的微粒移位至表面层（非膨胀）而形成单位面积新表面所需消耗的可逆功。对于平衡表面，表面张力与表面自由能在数学上是相等的，只是在作用上概念不同。
血管壁的界面自由能非常低，在0.1～0.3 Pa之间，如此低的界面自由能是血管壁能与血液相容的重要原因。研究表明，材料表面张力值越大，凝血时间越短，也就是表面能越大，固体表面和血液接触越容易凝血形成血栓，因为表面能低的材料具有抑制血小板粘附的作用。但也有例外：各向同性碳临界表面张力较高约为5.0 Pa，而嵌段聚醚聚氨酯和聚酯—聚甲基硅氧烷共聚物的临界表面张力为2.3～2.8 Pa，若单从表面张力判断，各向同性碳的抗凝血性能应较差，但事实与此相反。