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導(dǎo)語(yǔ)

 

據(jù)《中國(guó)心血管健康與疾病報(bào)告2020》顯示，我國(guó)約有心血管疾病患者3.3億人，并呈逐年遞增趨勢(shì)，已成為重大公共衛(wèi)生問(wèn)題，給社會(huì)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)和壓力。然而，用于血管替換、旁路建立或?yàn)榻K末期腎臟患者建立血透通路的人工血管的研發(fā)仍然面臨諸多困難與挑戰(zhàn)。

 

由于材料、技術(shù)受限，小口徑人工血管（口徑＜6 mm）一直是研發(fā)重點(diǎn)難點(diǎn)，目前仍無(wú)上市產(chǎn)品。

 

01小口徑人工血管有哪些制造要點(diǎn)？

 

小口徑人工血管在臨床上表現(xiàn)不佳，主要是由于內(nèi)膜增生和血栓形成的發(fā)展。為了克服這些挑戰(zhàn)，已采用各種設(shè)計(jì)方法、材料選擇和表面改性策略來(lái)提高小直徑移植物的通暢性。包括材料選擇、表面改性以增強(qiáng)生物相容性/內(nèi)皮化，以及目前正在植入的移植物的機(jī)械性能。

 

理想的小口徑移植物應(yīng)具有如下特點(diǎn)：

 

良好的機(jī)械強(qiáng)度和順應(yīng)性以承受血流動(dòng)力學(xué)壓力；

 

可縫合性；

 

緊急情況下各種尺寸的“現(xiàn)成”可用性；

 

易于使用，可最大限度地減少手術(shù)時(shí)間、成本和風(fēng)險(xiǎn)；抗血栓和抗感染；

 

生物相容性，可與身體完全融合，并產(chǎn)生在性質(zhì)和功能上與天然動(dòng)脈相似的新血管；

 

合理的制造成本；

 

長(zhǎng)期通暢；

 

快速內(nèi)皮化；

 

良好的孔隙率>50 μm，便于細(xì)胞浸潤(rùn)。

 

滿(mǎn)足上述所有要求的功能性小口徑血管移植物需要仿生設(shè)計(jì)，需要對(duì)血管壁生物學(xué)的細(xì)胞和分子的高度理解。

 

（一）孔隙率的重要性：

 

快速內(nèi)皮化是小直徑血管成功預(yù)防血栓形成的一個(gè)重要方面。在這個(gè)過(guò)程中，孔隙率和孔徑分布起著重要作用。在過(guò)去的五年里，無(wú)數(shù)的研究表明了孔隙率在移植物設(shè)計(jì)中的重要性。

 

最近的研究結(jié)果表明，人工血管的多孔管腔表面在穩(wěn)定內(nèi)膜和幫助細(xì)胞浸潤(rùn)方面發(fā)揮重要作用：多孔管腔表面增強(qiáng)了移植物周?chē)M織的滲透，起到錨固作用。然而，多孔人工血管內(nèi)部壓力，往往會(huì)隨著時(shí)間的推移失去其徑向機(jī)械強(qiáng)度，可能導(dǎo)致動(dòng)脈瘤形成。消除這一障礙的方法之一，是對(duì)移植物施加外部加固。

 

過(guò)去二十年內(nèi)，有研究分別使用滌綸管狀針織網(wǎng)、緯編管狀織物、滌綸氨綸織物、聚酯等材料來(lái)增強(qiáng)小直徑血管移植物。使用聚酯增強(qiáng)材料在犬腹主動(dòng)脈模型中盡管有血栓的形成，但是明顯觀測(cè)到，具有絲狀、多孔、互連結(jié)構(gòu)和外部增強(qiáng)聚酯網(wǎng)的血管移植物，優(yōu)于具有低孔隙率或不可穿透壁的血管移植物。這也進(jìn)一步說(shuō)明孔隙率在人工血管的設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。

 

（二）表面生物活性材料的應(yīng)用：

 

可生物降解支架的另一個(gè)重要特性是降解應(yīng)與模擬正常組織中 ECM 功能的組織再生相平衡?？紤]到不同材料與細(xì)胞相互作用的方式可能會(huì)引發(fā)各種反應(yīng)，表面生物活性材料（細(xì)胞刺激信號(hào)）可以改變細(xì)胞反應(yīng)以促進(jìn)正生長(zhǎng)。因此，這些品質(zhì)可以調(diào)節(jié)細(xì)胞功能和行為，還可以促進(jìn)組織生長(zhǎng)。

 

02人工血管現(xiàn)有制造工藝及方法匯總

 

迄今為止，人工血管采用的大多數(shù)制造方法有如下幾種：

 

 

（從左到右）靜電紡絲、基于細(xì)胞的完全生物法、生物反應(yīng)器、凍干法、支架法

 

靜電紡絲是組織工程師用于制造可降解支架的通用方法之一，因?yàn)樗c許多聚合物兼容，并且可定制，足以制造具有優(yōu)化性能的血管導(dǎo)管。該過(guò)程在應(yīng)用電場(chǎng)中將溶解在揮發(fā)性溶劑中的聚合物轉(zhuǎn)化為納米和微纖維。然而，為了創(chuàng)建諸如血管的管狀結(jié)構(gòu)，通常使用具有與目標(biāo)血管相匹配的直徑的快速旋轉(zhuǎn)心軸。通過(guò)控制電壓、流速、聚合物濃度、噴嘴尺寸、距離、轉(zhuǎn)速和溶劑等各種參數(shù)，可以改變所得支架的厚度、密度和物理特性。

 

冷凍干燥或凍干是另一種使用升華原理去除聚合物溶液中存在的溶劑的方法。在這種方法中，將聚合物溶液倒入模具中并轉(zhuǎn)移到冷凍干燥器中，讓溶劑在其中升華?？梢酝ㄟ^(guò)改變冷凍速率和溶質(zhì)濃度來(lái)優(yōu)化構(gòu)建體的孔徑。

 

致孔劑或顆粒浸出是另一種方法，其中致孔劑（糖、鹽、蠟）或顆粒用于在通過(guò)蒸發(fā)浸出之前產(chǎn)生孔隙。

 

其他一些用于生成血管構(gòu)造的方法包括溶劑澆注、發(fā)泡、相分離、纖維粘合、自組裝、快速成型、熔體成型和膜層壓。生物反應(yīng)器用于組織工程，將細(xì)胞和基于組織的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為臨床有效且安全的大型生物產(chǎn)品。一項(xiàng)研究使用生物反應(yīng)器將人類(lèi)誘導(dǎo)的多能干細(xì)胞接種到 PGA 支架上長(zhǎng)達(dá) 9 周，從而產(chǎn)生由對(duì) α-平滑肌肌動(dòng)蛋白呈陽(yáng)性的細(xì)胞組成的血管。

 

03小口徑人工血管材料——特殊性能 & 最新研究結(jié)果

 

（一） 人工合成材料

 

用于外周血管重建的最常見(jiàn)的市售不可降解合成移植物是 e-PTFE (Teflon) 和 PET（滌綸）。這些生物穩(wěn)定的移植物主要用于臨床，因?yàn)樗鼈兙哂谐錾目菇到庑?、良好的機(jī)械強(qiáng)度以及在較大直徑應(yīng)用中的可負(fù)擔(dān)性。

 

1. 膨體聚四氟乙烯e-PTFE (Teflon)

 

PTFE 是一種碳氟聚合物，通常通過(guò)擠壓和燒結(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變以形成 ePTFE（Gore-Tex），從而在其基體中引入周向排列的節(jié)點(diǎn)的微孔結(jié)構(gòu)。該材料具有負(fù)電性腔表面，具有抗血栓形成特性，適用于下肢旁路移植術(shù)（7-9 mm）。大多數(shù)外科醫(yī)生更喜歡不透水和浸漬的針織 e-PTFE 移植物，以避免需要預(yù)先凝血。由于其剛性，該移植物對(duì)天然血管的順應(yīng)性差導(dǎo)致表面非內(nèi)皮化，從而導(dǎo)致手術(shù)后的通暢性差。近年來(lái)，對(duì)e-PTFE研究工作集中在該產(chǎn)品的表面改性和外部增強(qiáng)上，以減輕小直徑移植物的這些挑戰(zhàn)。

 

2. 滌綸Dacron (PET) 

 

PET 是一種具有多根長(zhǎng)絲的聚酯材料，通常被針織或編織成人工血管，可以用作 ePTFE 的替代品；然而，它們?cè)陂L(zhǎng)期體內(nèi)小直徑血管中的通暢性差仍然限制了它們?cè)谂R床上的使用。

 

幾項(xiàng)研究表明，針織滌綸隨著時(shí)間的推移會(huì)發(fā)生擴(kuò)張，需要用明膠、膠原蛋白或白蛋白進(jìn)行預(yù)凝固以封閉空隙，并防止手術(shù)后出汗或血漿滲漏。

 

PET的另一個(gè)限制是表面疏水性，它阻礙了內(nèi)皮細(xì)胞的粘附和增殖，從而導(dǎo)致血小板活化和血栓形成。根據(jù)最近的一項(xiàng)研究，等離子體表面處理被用于用大氣氣體對(duì)滌綸表面進(jìn)行功能化，從而使其更具親水性。研究結(jié)果表明，細(xì)胞相互作用得到增強(qiáng)，而沒(méi)有不良的炎癥組織反應(yīng)。另一種選擇是抗血栓形成分子的表面固定，例如肝素或增強(qiáng)更快內(nèi)皮化的生物活性蛋白。最近，許多研究人員使用靜電紡絲將滌綸與親水性聚合物（如明膠）結(jié)合起來(lái)，以提高其生物相容性。

 

3. 聚氨酯 (PU)

 

PU在 1960 年代作為血管移植物被引入，以應(yīng)對(duì)諸如在當(dāng)時(shí)使用的血管中觀察到的順應(yīng)性不匹配導(dǎo)致的內(nèi)膜增生等挑戰(zhàn)。這種移植物優(yōu)于 e-PTFE 是由于更好的順應(yīng)性和接近天然血管的機(jī)械性能。聚氨酯通常由軟無(wú)定形和硬結(jié)晶段組成，它們通過(guò)氫鍵和范德華力結(jié)合在一起，從而具有固有的剛度和柔韌性。與 e-PTFE 相比，PU 移植物的低血栓形成表面在用針刺穿后可以立即自我愈合，從而導(dǎo)致吻合后的血漿泄漏最小。通過(guò)控制硬段和軟段的濃度，可以?xún)?yōu)化順應(yīng)性以抑制內(nèi)膜增生。

 

盡管它們的機(jī)械順應(yīng)性有所提高，但由于生物穩(wěn)定性差和自主降解，早期的體內(nèi)試驗(yàn)失敗了。在植入后 8 周，兩類(lèi) PU——聚酯和聚醚分別通過(guò)水解和氧化降解并釋放有毒副產(chǎn)物。用于膝下血管置換的小直徑 PU 移植物（內(nèi)徑 5 和 6 毫米）在第一年后因多例血栓形成而退出市場(chǎng)，其中 15 個(gè)移植物中有 8 個(gè)被阻塞，幾乎沒(méi)有內(nèi)皮細(xì)胞的覆蓋。

 

為了提高 PU的生物穩(wěn)定性，一項(xiàng)特殊的研究用硅氧烷或碳酸酯代替了大分子二醇，從而產(chǎn)生了具有聚碳酸酯軟鏈段的新接枝物，顯示出增強(qiáng)的抗生物降解性，因此可以保留在該部位很長(zhǎng)一段時(shí)間。在 1.5 mm 聚碳酸酯和 e-PFTE 的比較體內(nèi)研究中，觀察到植入大鼠主動(dòng)脈的移植物可穩(wěn)定長(zhǎng)達(dá) 6 個(gè)月。研究結(jié)果表明，聚碳酸酯移植物在更快的內(nèi)皮化和抑制內(nèi)膜增生方面優(yōu)于 ePTFE；然而，通暢性沒(méi)有明顯差異（~80%）。

 

雖然 PU 移植物的一些結(jié)果看起來(lái)很有希望，但需要探索一種表面改性的替代方法，以了解這種材料的適用性。

 

（二） 生物可降解、吸收的聚合物

 

由于在體內(nèi)生物穩(wěn)定材料上觀察到諸如晚期內(nèi)膜增生等并發(fā)癥，研究人員最近開(kāi)始集中精力開(kāi)發(fā)支架形式的可生物降解和可生物吸收材料。這些材料通常充當(dāng) ECM 細(xì)胞浸潤(rùn)和沉積的支持物和基質(zhì)，它們最終會(huì)溶解，留下功能性組織，從而最大限度地減少長(zhǎng)期后果。

 

靜電紡絲是在這些聚合物上采用的一種策略，用于制造由適合細(xì)胞浸潤(rùn)、分化和新毛細(xì)血管形成的微米級(jí)和納米級(jí)纖維組成的管狀多孔移植物。這些移植物的體內(nèi)代謝，植入后減少了通常導(dǎo)致移植物失敗的不良組織相互作用的可能性。

 

1. 聚甘油-癸二酸酯 (PGS)

 

這種彈性體材料于 2002 年首次合成，其柔韌性、生物相容性和生物降解性等特性吸引了眾多研究人員。甘油和癸二酸單體的縮聚反應(yīng)是合成這種材料的主要工藝，這種材料獨(dú)特的彈性特性是共價(jià)交聯(lián)加上主鏈上羥基之間的多個(gè)氫鍵的結(jié)果。這種材料可以生物降解并通過(guò)正常途徑在體內(nèi)重新吸收。

 

盡管對(duì)這種材料的體外和體內(nèi)研究仍處于初步階段，但迄今為止的結(jié)果很令人振奮。在之前的一項(xiàng)研究中，PGS 被證實(shí)在大鼠皮下植入約 60 天后可生物降解，植入物周?chē)粫?huì)留下疤痕組織。用 PGS 構(gòu)建的血管支架具有分別為 75 至 150 和 5 至 20 μm 的大孔和微孔，可促進(jìn)良好的細(xì)胞活性，促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的增殖和血管重塑過(guò)程中平滑肌細(xì)胞的浸潤(rùn)。與 e-PTFE 和 PLGA 相比，在 PGS 上觀察到血小板和炎癥潛能降低。大鼠模型中PGS 支架可增強(qiáng)彈性蛋白的表達(dá)，在植入后 3 周內(nèi)將機(jī)械性能提高五倍，以匹配天然血管的機(jī)械性能。由 PGS 組成的復(fù)合移植物的未來(lái)設(shè)計(jì)和制造有較好的前景。

 

2. 聚乙醇酸 (PGA) 和 聚乳酸 (PLA) 聚合物

 

PGA 和 PLA 聚合物具有生物可吸收性，由飽和聚-?-羥基酯組成，結(jié)合后形成 PLGA 的無(wú)定形復(fù)合材料。PLA 上的額外甲基使其比PGA 更具疏水性，降解速度更快。這些聚合物通過(guò)其主鏈上的酯鍵水解而降解，導(dǎo)致形成乙醇酸和乳酸單體，這些單體可以正常代謝。

 

最近一項(xiàng)關(guān)于 PGA、PLA 和 PLGA 納米纖維在血管應(yīng)用中的體內(nèi)研究，由于 2 個(gè)月內(nèi)的快速吸收而面臨挑戰(zhàn)。而另一項(xiàng)研究中，由 PLA 和 PGA 制成的復(fù)合移植物由于無(wú)法承受動(dòng)脈壓力的快速聚合物降解而顯示出機(jī)械強(qiáng)度的損失和動(dòng)脈瘤的形成。對(duì)此材料在血管上的應(yīng)用，還需要更多的表面增強(qiáng)，或多種材料的應(yīng)用，以彌補(bǔ)自身性能的不足。

 

3. 聚二惡烷酮 (PDO)

 

PDO 是一種無(wú)色、結(jié)晶、可生物降解的合成聚合物?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)包含一個(gè)多重重復(fù)的醚酯單元。這種聚合物可以很容易地?cái)D出成柔性纖維。PDO 先前已應(yīng)用于針、縫合夾和整形手術(shù)材料，以及藥物輸送系統(tǒng)、心血管設(shè)備和組織工程，這些材料會(huì)緩慢降解并被人體吸收，而其余部分則通過(guò)尿液排出并呼出作為二氧化碳。

 

最近在血管移植物設(shè)計(jì)中應(yīng)用 PDO 已顯示出良好的管腔內(nèi)皮化。對(duì)移植后的PDO進(jìn)行的爆破壓力測(cè)試可承受高達(dá) 6000 mmHg 的壓力而不會(huì)產(chǎn)生疲勞。多項(xiàng)研究檢查了 PDO 支架在血管和非血管器官（如食道、氣管和腸道）中的使用。與其他聚酯相比，PDO 最具優(yōu)勢(shì)的特性是與天然血管 細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)的機(jī)械相似性——特別是膠原蛋白和彈性蛋白。這與其形狀記憶行為相結(jié)合，可提供回彈和抗扭結(jié)性。PDO是一種很具有優(yōu)勢(shì)與前景的人工血管材料。

 

4. 聚 ε-己內(nèi)酯 (PCL)

 

PCL 是一種生物相容性和生物可吸收性聚合物，由于其良好的機(jī)械性能和簡(jiǎn)單的合成步驟，PCL可應(yīng)用于許多生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。在生理環(huán)境中植入 PCL 后，發(fā)生非酶水解，釋放出大量無(wú)毒副產(chǎn)物。接下來(lái)，包括巨噬細(xì)胞和吞噬體在內(nèi)的周?chē)?xì)胞通過(guò)細(xì)胞內(nèi)生理生化過(guò)程降解副產(chǎn)物。研究觀察到 PCL材料的其機(jī)械性能隨著降解時(shí)間發(fā)生變化（更硬），這是由于與其他可生物降解聚合物相比，由于無(wú)定形比例降低和結(jié)晶度提高導(dǎo)致在體內(nèi)的存在時(shí)間更長(zhǎng)（長(zhǎng)達(dá) 2 年）。因此，這為細(xì)胞浸潤(rùn)和組織再生提供了足夠的時(shí)間。此外，F(xiàn)DA 對(duì) PCL 和其他 PCL 產(chǎn)品的批準(zhǔn)使許多研究人員專(zhuān)注于用這種材料構(gòu)建可行的血管移植物。

 

PCL 移植物通常使用靜電紡絲方法制造，模仿了彈性細(xì)胞外基質(zhì)ECM的結(jié)構(gòu)，克服由于動(dòng)態(tài)血管組織中的循環(huán)應(yīng)力導(dǎo)致的塑性變形。電紡 PCL 的形態(tài)（孔隙率和纖維直徑）可以通過(guò)改變紡絲參數(shù)（如聚合物濃度和使用的溶劑）來(lái)調(diào)整。大鼠主動(dòng)脈中 2 毫米、PCL 和 e-PTFE 移植物的體內(nèi)檢查顯示，在 12 周時(shí) PCL 成功內(nèi)皮化，通暢性?xún)?yōu)于 ePTFE。長(zhǎng)達(dá) 18 個(gè)月的長(zhǎng)期觀察顯示出類(lèi)似的趨勢(shì)，內(nèi)皮化穩(wěn)定，PCL 移植物沒(méi)有動(dòng)脈瘤擴(kuò)張或血栓形成。

 

長(zhǎng)達(dá) 12 個(gè)月的觀察顯示，自體動(dòng)脈外膜層進(jìn)行性細(xì)胞浸潤(rùn)，這是由分泌血管生成因子的巨噬細(xì)胞誘導(dǎo)的，從而使肌成纖維細(xì)胞能夠形成毛細(xì)血管和移植物定植。然而，12 個(gè)月后，觀察到退化的組織重塑，因?yàn)檩^少的巨噬細(xì)胞導(dǎo)致細(xì)胞流入減少，導(dǎo)致 18 個(gè)月時(shí)肌成纖維細(xì)胞饑餓和移植物鈣化。在 6 個(gè)月時(shí)對(duì)基于膠原蛋白、PLA 和 PGA 的移植物的長(zhǎng)期研究中進(jìn)行了類(lèi)似的觀察。因此，使用這些材料的新血管移植物設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步的長(zhǎng)期研究。

 

（三） 天然高分子材料

 

天然高分子材料是可以用作組織再生支架的天然蛋白質(zhì)，它們具有高度的生物相容性和可降解性，從而促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)。更重要的是，它們與細(xì)胞相互作用和結(jié)合并增強(qiáng)細(xì)胞活性的能力使其優(yōu)于合成聚合物。迄今為止，用于血管移植物發(fā)育的一些天然蛋白質(zhì)存在于細(xì)胞外基質(zhì)ECM中，分別是膠原蛋白和彈性蛋白，還有其他與生物相容的化合物，如絲素蛋白。在血管移植物制造中使用天然聚合物的挑戰(zhàn)之一是它們固有的弱機(jī)械性能，由于血管壁上的持續(xù)脈動(dòng)應(yīng)力可能會(huì)失效，導(dǎo)致動(dòng)脈瘤和血管破裂。

 

1. 彈性蛋白 (Elastin)

 

彈性蛋白是天然血管的重要組成成分之一，動(dòng)脈壁內(nèi)部和外部彈性薄片層的大約 50% 干重由彈性蛋白組成。彈性蛋白是通過(guò)多級(jí)過(guò)程聚合原彈性蛋白單體而合成的。彈性蛋白促進(jìn)其在人工移植血管中的識(shí)別的兩個(gè)重要特性是其出色的彈性和信號(hào)傳導(dǎo)能力。有研究發(fā)現(xiàn)由膠原蛋白制成并與彈性蛋白結(jié)合的移植基質(zhì)具有良好的彈性回縮力，因此可以承受脈動(dòng)流動(dòng)期間的壓力。此外，觀察到彈性蛋白負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)平滑肌細(xì)胞的遷移和增殖，抑制內(nèi)膜增生的形成。

 

彈性蛋白與其他合成可生物降解聚合物 (如PC和PLGA) 的共靜電紡絲，表現(xiàn)出非血栓形成的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)；與PDO混合材料人工血管表現(xiàn)出與天然血管相匹配的增強(qiáng)爆裂壓力。彈性蛋白可以增強(qiáng)小口徑人工血管的機(jī)械和生物學(xué)特性，彈性蛋白的引入是構(gòu)建小口徑人工血管的新方向之一。

 

2. 膠原蛋白

 

膠原蛋白由天然血管的中膜和外膜中的平滑肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞合成，這也是血管細(xì)胞外基質(zhì)ECM的主要成分之一。膠原蛋白通過(guò)維持它們的結(jié)構(gòu)完整性并限制它們的伸長(zhǎng)來(lái)充當(dāng)這些細(xì)胞的穩(wěn)定劑。然而，由于膠原蛋白固有的血栓形成性，可引發(fā)血小板粘附和活化，是人工血管研發(fā)過(guò)程中一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。戰(zhàn)勝這一困難的策略之一是通過(guò)生物反應(yīng)器在管腔表面預(yù)先接種內(nèi)皮細(xì)胞，以阻礙血小板的粘附。

 

膠原蛋白可以通過(guò)從動(dòng)物組織中提取或通過(guò)重組過(guò)程獲得。這種材料很容易溶解，可以形成凝膠，能夠包裹細(xì)胞，類(lèi)似于在天然血管壁中觀察到的 3D 微環(huán)境。然而，由于其機(jī)械強(qiáng)度較弱，構(gòu)建的組織工程血管中呈現(xiàn)出非常低的爆破壓力。針對(duì)這一點(diǎn)，科學(xué)家們使用1型膠原蛋白納米纖維墊制成 2 mm 直徑的管狀移植物，然后與戊二醛交聯(lián)，在植入大鼠下腔靜脈后可穩(wěn)定長(zhǎng)達(dá) 12 周而無(wú)動(dòng)脈瘤擴(kuò)張。在一項(xiàng)研究中，與彈性蛋白和 PCL 等其他可生物降解材料的共靜電紡絲提高了機(jī)械強(qiáng)度和生物活性。這些發(fā)現(xiàn)表明，膠原蛋白與其他合成材料的結(jié)合可以在未來(lái)提供更好的工程血管替代品。

 

3. 絲素蛋白

 

從 Bombyx mori 蠶繭中提取的絲纖維已用于各種生物醫(yī)學(xué)過(guò)程，包括縫合線(xiàn)。絲的兩種活性成分是絲素蛋白和絲膠，它們分別提供彈性和膠狀特性。這種材料具有生物相容性、非血栓形成，并且在體內(nèi)緩慢降解，因此，作為構(gòu)建小直徑血管導(dǎo)管的可行替代品脫穎而出。在之前的一項(xiàng)研究中，發(fā)現(xiàn)靜電紡絲素蛋白具有足夠的爆破強(qiáng)度，能夠承受生理壓力和良好的機(jī)械強(qiáng)度，可以抵抗動(dòng)脈瘤的擴(kuò)張和破裂。

 

研究表明用絲素蛋白構(gòu)建的血管移植物，通過(guò)體平滑肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞的遷移和增殖，擁有增強(qiáng)的生物活性。植入大鼠腹主動(dòng)脈的絲素蛋白（1.5 毫米）移植物在長(zhǎng)達(dá) 1 年的時(shí)間里顯示出比 e-PTFE（30%）更高的通暢性（85%）。并且隨著絲素蛋白的降解，細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的沉積增加，抑制動(dòng)脈瘤擴(kuò)張的機(jī)械性能增加。

 

4. 透明質(zhì)酸 (HA)

 

透明質(zhì)酸是一種非硫酸化糖胺聚糖，由 Meyer 和 Palmer 于 1934 年首次從玻璃體液中分離出來(lái)，由葡萄糖醛酸和 N-乙酰氨基葡萄糖組成。這種材料是透明的，可以通過(guò)微生物發(fā)酵大量合成。HA 是一種可快速生物降解、親水、非粘性和生物相容性的天然聚合物。它可以在不引起任何異物反應(yīng)的情況下調(diào)節(jié)細(xì)胞分化、遷移和血管生成，使其成為組織工程領(lǐng)域的一種卓越的材料。在之前的一項(xiàng)研究中，發(fā)現(xiàn) HA 通過(guò) CD44、ICAM-1 和 RHAMM 細(xì)胞受體促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的粘附和增殖，從而增強(qiáng)組織生長(zhǎng)和修復(fù)。機(jī)械性能可以通過(guò)改性和交聯(lián)程度來(lái)調(diào)節(jié)。也有科學(xué)家近年來(lái)將HA 和類(lèi)人膠原蛋白相結(jié)合，產(chǎn)生了一種血管支架，其生物物理和機(jī)械性能增強(qiáng)，接近天然細(xì)胞外基質(zhì)。

 

5. 纖維蛋白 (Fibrin)

 

纖維蛋白是一種不溶性蛋白質(zhì)，經(jīng)常參與組織修復(fù)和傷口愈合過(guò)程。它是由凝血酶激活的纖維蛋白原聚合形成的，從而產(chǎn)生纖維狀網(wǎng)絡(luò)凝膠。纖維蛋白支架可以幫助參與組織重塑的細(xì)胞的粘附、增殖和遷移。使用纖維蛋白凝膠的挑戰(zhàn)之一是其機(jī)械性能差。

 

利用不同細(xì)胞預(yù)先接種培養(yǎng)的纖維蛋白支架，可以獲得更好的機(jī)械性能。例如，骨髓來(lái)源的 SMC 祖細(xì)胞。另一種提高基于纖維蛋白的組織工程血管強(qiáng)度的技術(shù)是缺氧和補(bǔ)充胰島素，這會(huì)增強(qiáng)包埋的新生兒真皮成纖維細(xì)胞的膠原蛋白沉積。然而，這種方法的缺點(diǎn)是由于在生物反應(yīng)器中培養(yǎng)過(guò)程中長(zhǎng)度的損失，無(wú)法生產(chǎn)具有適當(dāng)臨床長(zhǎng)度的容器。

 

（四） 脫細(xì)胞天然支架

 

為了獲得在結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)性能上都模仿天然脈管系統(tǒng)同時(shí)避免不良免疫反應(yīng)的 TEVG，開(kāi)發(fā)了一種脫細(xì)胞支架。去細(xì)胞化是在去污劑和酶的幫助下從組織中剝離抗原性細(xì)胞物質(zhì)的過(guò)程，留下一個(gè)組織良好的無(wú)細(xì)胞基質(zhì)作為自體細(xì)胞浸潤(rùn)和組織重塑的支架。

 

羅森伯格等人是第一個(gè)在 1960 年代使用牛頸動(dòng)脈開(kāi)發(fā)脫細(xì)胞血管假體的人。從那時(shí)到現(xiàn)在，許多基于自體移植物、同種異體移植物和異種移植物的脫細(xì)胞組織的臨床產(chǎn)品已可用于心臟、眼科、牙科、皮膚和軟組織等廣泛應(yīng)用。與替代合成導(dǎo)管相比，脫細(xì)胞異種移植物沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)，除了脫細(xì)胞移植物的高加工成本外，兩種移植物（合成和異種移植物）的通暢率相似，并且在感染或假性動(dòng)脈瘤后移植物恢復(fù)的機(jī)會(huì)也較低。

 

基于脫細(xì)胞人類(lèi)供體靜脈的產(chǎn)品，例如用于動(dòng)靜脈瘺 (AVF) 的產(chǎn)品（SynerGraftTM，源自人類(lèi)尸體靜脈同種異體移植物）已上市，但尚未在臨床領(lǐng)域廣泛采用。在先前的一項(xiàng)研究中，這些移植物似乎對(duì)感染更具抵抗力，盡管與合成導(dǎo)管相比，動(dòng)脈瘤擴(kuò)張，但沒(méi)有觀察到通暢性的改善。與同種異體脫細(xì)胞基質(zhì)商業(yè)化相關(guān)的有限供應(yīng)和復(fù)雜的倫理/監(jiān)管問(wèn)題仍然是另一個(gè)挑戰(zhàn)。

 

（五） 基于細(xì)胞的完全生物血管

 

生物血管主要是利用各種細(xì)胞來(lái)制造血管結(jié)構(gòu)，目的是避免使用合成材料觀察到的問(wèn)題，例如炎癥、狹窄和感染。目前，研發(fā)人員主要開(kāi)發(fā)了三種方法：基于細(xì)胞片的方法、體內(nèi)生物反應(yīng)器和基于細(xì)胞環(huán)的方法。這幾種方法，也各有優(yōu)劣。

 

1. 細(xì)胞片法

 

細(xì)胞片方法涉及在抗壞血酸作為培養(yǎng)基的情況下擴(kuò)大細(xì)胞群。將細(xì)胞監(jiān)測(cè)到一定時(shí)期（成熟時(shí)間），然后小心地去除細(xì)胞層并放置在圓形管狀結(jié)構(gòu)上，然后進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)8周的動(dòng)態(tài)培養(yǎng)，以將各層統(tǒng)一為血管結(jié)構(gòu)。研究人員利用不同的細(xì)胞來(lái)源構(gòu)建了細(xì)胞層組織的人工血管，其爆破壓力接近約 2600 mmHg，遠(yuǎn)高于隱靜脈。在之前的一項(xiàng)研究中，通過(guò)這種方法獲得的移植物可以在植入犬模型后作為股動(dòng)脈介入承受生理壓力。然而，生成 TEVG 所需太長(zhǎng)時(shí)間體外處理（6 到 9 個(gè)月），以及高昂的制作成本，大大限制了這種方法的商業(yè)化可行性。

 

2. 生物反應(yīng)器法

 

生物反應(yīng)器方法是為生成人工血管而開(kāi)發(fā)的另一種創(chuàng)新方法。在這里，身體充當(dāng)生物反應(yīng)器，通過(guò)在腹膜腔植入異物后引發(fā)炎癥反應(yīng)，從而觸發(fā)纖維囊的形成。纖維囊主要由肌成纖維細(xì)胞和膠原基質(zhì)層組成，由一層間皮細(xì)胞包裹，在脫細(xì)胞后可以作為人工血管使用。在之前的一項(xiàng)研究中，將硅橡膠管植入大鼠腹腔導(dǎo)致肌成纖維細(xì)胞包裹，形成膠原基質(zhì)，2周后形成單層間皮細(xì)胞。拔管后，血管狀結(jié)構(gòu)由內(nèi)而外翻轉(zhuǎn)：間皮外層成為內(nèi)膜；膠原蛋白和彈性蛋白層成為介質(zhì)；外面的膠原蛋白層變成了外膜。隨后，將移植物植入同一只大鼠的頸動(dòng)脈位置，在大鼠體內(nèi)能夠保持通暢長(zhǎng)達(dá)4個(gè)月。

 

在迄今為止評(píng)估的植入管中，發(fā)現(xiàn)聚乙烯管在 50% 的情況下可產(chǎn)生出色的可移植人工血管。雖然這種模型能夠在短期開(kāi)發(fā)人工血管，而無(wú)需擔(dān)心抗原性的可行選擇，但對(duì)于患者的兩次侵入性手術(shù)，加上成熟期間組織粘附到腹膜壁的可能性，限制了這種方法的可行性。

 

3. 細(xì)胞環(huán)法

 

開(kāi)發(fā)基于細(xì)胞環(huán)的方法，是為了克服通過(guò)利用由瓊脂糖孔組成的模具，在培養(yǎng)后過(guò)程中剝離或操作可能損壞細(xì)胞片的困難。在這種方法中，高密度細(xì)胞懸浮在瓊脂糖基質(zhì)中以分泌細(xì)胞外基質(zhì)ECM，從而充當(dāng)血管導(dǎo)管形成的基石。之前的一項(xiàng)研究表明，來(lái)自成纖維細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞的人體動(dòng)脈在脈動(dòng)流下沉積和調(diào)理長(zhǎng)達(dá) 14 天，經(jīng)由在 3 mm ID 模具中的機(jī)械刺激，產(chǎn)生了由細(xì)胞外基質(zhì)ECM成分組成的血管狀組織。同樣，在將永生化大鼠主動(dòng)脈 SMC 在瓊脂糖孔（內(nèi)徑 2-6 毫米）中培養(yǎng)長(zhǎng)達(dá) 2 周以產(chǎn)生融合組織環(huán)。這種方法已在小動(dòng)物模型（大鼠）中進(jìn)行了嘗試。

 

4. 3D細(xì)胞打印

 

細(xì)胞環(huán)法的一個(gè)限制是制造的移植物的形狀有限，生物打印就得以發(fā)展。使用生物3D打印這種新方法，可以開(kāi)發(fā)針對(duì)患者的脈管系統(tǒng)。由于靈活性，一些研究已經(jīng)采用這種方法來(lái)開(kāi)發(fā)體外微血管化結(jié)構(gòu)。已有研究者通過(guò)多細(xì)胞球體和圓柱體的精確沉積和合并，開(kāi)發(fā)了簡(jiǎn)單和分支的脈管系統(tǒng)。在生物反應(yīng)器中放置 21 天后，該結(jié)構(gòu)的爆裂壓力約為 773 mmHg。通過(guò)這種方法設(shè)計(jì)具有不同形狀和層次樹(shù)的血管的能力看起來(lái)非常不錯(cuò)，然而，長(zhǎng)達(dá)7天的處理時(shí)間，以及全程無(wú)菌的需求，可能會(huì)成為此方法的難點(diǎn)。

 

04總 結(jié)

 

在未來(lái)，具有抗血栓特性和出色的生物相容性以及可定制的可降解性的增強(qiáng)型生物可吸收合成材料很可能成為小型血管手術(shù)的理想選擇。然而，接近商業(yè)化的工程血管移植物的大部分成功是針對(duì)大血管而不是用作心血管旁路移植物的小直徑移植物。上游的材料供應(yīng)也是人工血管遭遇“卡脖子”的重要原因之一。 因此，人工血管的研發(fā)不僅僅要解決制造技術(shù)問(wèn)題，在高端材料領(lǐng)域，也需要更多的動(dòng)力來(lái)推進(jìn)。在未來(lái)，血管工程領(lǐng)域仍然可供未來(lái)的創(chuàng)新者去發(fā)掘鉆研，迎接挑戰(zhàn)以創(chuàng)造更多功能性小直徑動(dòng)脈替代品。

 

資料來(lái)源：

 

[1] Obiweluozor, Francis O., et al. "Considerations in the development of small-diameter vascular graft as an alternative for bypass and reconstructive surgeries: a review." Cardiovascular Engineering and Technology 11.5 (2020): 495-521.

[2] Saito, Junichi, et al. "Challenges and possibilities of cell-based tissue-engineered vascular grafts." Cyborg and Bionic Systems 2021 (2021).

[3] Unnikrishnan, Madathipat, et al. "The making of indigenous vascular prosthesis." The Indian Journal of Medical Research 143.6 (2016): 769.

[4] Blume, Cornelia, et al. "Vascular implants–new aspects for in situ tissue engineering." Engineering in Life Sciences 22.3-4 (2022): 344-360.