組織工程血管（TEVGs）近年來(lái)逐漸應(yīng)用于臨床，具有生物相容性強(qiáng)和機(jī)械性能可調(diào)等特性。將細(xì)胞組裝的細(xì)胞外基質(zhì)（CAM）與編織相結(jié)合，編織是一種多功能組裝方法，可對(duì)移植物進(jìn)行精準(zhǔn)控制。近日，來(lái)自法國(guó)波爾多大學(xué)的Nicolas L’Heureux教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了編織參數(shù)對(duì)生物組織工程血管移植物性能影響的相關(guān)研究。研究成果以“Effects of weaving parameters on the properties of completely biological tissue-engineered vascular grafts”為題于11月24日發(fā)表在《Biofabrication》上。
本文研究了如何通過(guò)改變生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)而改變TEVG的幾何和機(jī)械性能，使其更好與原生血管相匹配，從而提供長(zhǎng)期的通暢性。研究人員的目標(biāo)是降低第一代編織TEVG的機(jī)械強(qiáng)度和管腔表面輪廓，同時(shí)保持較低跨膜滲透性和良好縫合固定強(qiáng)度。通過(guò)改變CAM的強(qiáng)度以及經(jīng)紗支數(shù)、緯紗帶寬度和緯紗張力等編織參數(shù)，生產(chǎn)出不同的TEVG。優(yōu)化設(shè)計(jì)使爆破壓力降低35%，壁厚減少38%，順應(yīng)性提高269%。改進(jìn)后的TEVG更接近于原生血管的特性，爆破壓為3492 mmHg，壁厚為0.69 mm，順應(yīng)性為4.8%/100 mmHg，同時(shí)保持極佳的縫合強(qiáng)度（4.7 N）和較低的跨壁滲透性(24 ml min-1 cm-2）。此外，新設(shè)計(jì)還將管腔表面輪廓縮小48%，使用的CAM減少47%。在類似設(shè)計(jì)中，使用脫細(xì)胞CAM線可使TEVG的管壁通透性更高，爆破壓力更大。下一步是將這種優(yōu)化后的血管移植物植入異體綿羊動(dòng)靜脈分流模型中，進(jìn)一步評(píng)估其體內(nèi)重塑情況和性能。
本文從以下幾個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)描述
1. TEVG制作
2. CAM板強(qiáng)度的影響
3. 經(jīng)紗數(shù)量的影響
4. 緯紗帶寬度的影響
5. 緯紗張力的影響
6. 管腔表面波紋對(duì)管壁剪切應(yīng)力模擬的影響
7. 血液流動(dòng)CFD模擬
8. 編織參數(shù)對(duì)TEVG特性的影響
9. 脫細(xì)胞過(guò)程的影響
圖1 TEVG的制造
圖1簡(jiǎn)介TEVG生產(chǎn)所涉及的步驟。CAM片用于生產(chǎn)經(jīng)線和緯線。經(jīng)線由5毫米寬的CAM帶制成。緯線由兩條CAM帶擰在一起制成。使用兩條絲帶生產(chǎn)緯線，是為了讓緯線在血液透析過(guò)程中能更好抵御每周的反復(fù)穿刺過(guò)程。捻線的目的是產(chǎn)生有彈性的線。緯線在一組可移動(dòng)的經(jīng)線和一組固定的張力經(jīng)線之間反復(fù)滑動(dòng)，以生產(chǎn)出壁質(zhì)均勻的人工血管移植物。修改后的編織參數(shù)作為TEVG編織過(guò)程中使用的經(jīng)紗支數(shù)（縱向絲帶的總數(shù)）、緯紗絲帶寬度（用于生產(chǎn)緯紗的2條絲帶的寬度）和緯紗張力。
圖2 緯帶寬度對(duì)編織TEVG線徑和結(jié)構(gòu)特性的影響
圖3 不同緯帶寬度編織的TEVG機(jī)械性能變化
本文研究目的除降低血管的強(qiáng)度，使其更接近原生血管外，還有降低管壁厚度，使TEVG更靈活、更可用。假設(shè)這兩個(gè)目標(biāo)都可以通過(guò)減少緯紗中的材料量來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楣懿牡闹芟驊?yīng)力是縱向應(yīng)力的兩倍，而緯紗支撐大部分應(yīng)力。因此，本文使用寬度較窄的緯帶編織TEVG。結(jié)果顯示使用兩條3毫米寬的緯帶捻在一起會(huì)使緯線的直徑明顯變小，進(jìn)而使TEVG的緯線密度明顯增加。此外，這還導(dǎo)致TEVG的壁更薄，使用μCT三維重建可以證明。但是使用較細(xì)緯線的一個(gè)缺點(diǎn)是，當(dāng)使用較細(xì)緯線時(shí)，編織的TEVG內(nèi)徑略有增加。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是，在使用更細(xì)緯線織造時(shí)，緯線的張力較小，織出的織物內(nèi)部張力較小，從織機(jī)芯軸上取下后收縮也不明顯。盡管使用的緯線所含材料減少40%，但TEVGs的植入相關(guān)特性并沒(méi)有發(fā)生顯著變化。之前顯示的緯線密度增加40%可能彌補(bǔ)了材料損失。隨著緯帶寬度的降低，縫合保持強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，但仍遠(yuǎn)高于血管外科常用導(dǎo)管大隱靜脈的縫合保持強(qiáng)度。同樣，不同組之間的爆破壓和壁間滲透性也沒(méi)有明顯差異。當(dāng)緯帶寬度從4毫米降至3毫米時(shí)，順應(yīng)性略有增加，但未觀察到明顯差異。綜上所述，以上結(jié)果表明，將緯紗帶寬度從5毫米降至3毫米，可減少壁厚，提高TEVG的柔韌性，同時(shí)保持足夠強(qiáng)的植入性。
圖4 TEVG管腔表面波紋對(duì)管壁剪切應(yīng)力（WSS）模擬的影響
接著研究人員想評(píng)估編織設(shè)計(jì)變化對(duì)WSS的影響。根據(jù)最初編織設(shè)計(jì)（經(jīng)線數(shù)：51，緯線尺寸：2×5毫米寬帶，緯線張力：高）和優(yōu)化后編織設(shè)計(jì)（經(jīng)線數(shù)：27，緯線尺寸：2×3毫米寬帶，緯線張力：低）TEVG的μCT圖像制作CFD模型，以模擬移植物內(nèi)的血流變化。模型預(yù)測(cè)表明，剪應(yīng)力峰值將產(chǎn)生于波峰，緯線之間波谷中的WSS要低得多。這些模型還表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)將產(chǎn)生更低的剪切應(yīng)力峰值和更均勻的WSS。對(duì)WSS值頻率的量化證實(shí)這些觀察結(jié)果，因?yàn)槠滹@示出中間值在優(yōu)化表面上更為常見(jiàn)，而極端值則較為罕見(jiàn)。對(duì)低WSS（<0.5 Pa）、正常WSS（0.5-3 Pa）和高WSS（>3 Pa）三個(gè)范圍的WSS值累積頻率進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果顯示，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的TEVG在正常WSS范圍內(nèi)頻率較高，在高WSS和低WSS范圍內(nèi)頻率分別降低19%和8%。
圖5 CAM片脫細(xì)胞過(guò)程以及編織的TEVG機(jī)械性能分析
本文所有實(shí)驗(yàn)都是使用"脫細(xì)胞"的CAM進(jìn)行操作。雖然已有數(shù)據(jù)表明異體"脫細(xì)胞"CAM具有良好的耐受性，但研究人員仍進(jìn)行了脫細(xì)胞過(guò)程對(duì)編織TEVG力學(xué)性能的影響研究，促進(jìn)ECM處理方法進(jìn)一步發(fā)展。圖5顯示去活力或脫細(xì)胞CAM片編織的TEVG特性比較。DAPI染色和DNA定量證實(shí)CAM片脫細(xì)胞過(guò)程有效。DNA含量降低97%。單軸拉伸測(cè)試結(jié)果，脫細(xì)胞帶的破壞力（-13%）略低于去活力帶。脫細(xì)胞帶制成的緯線直徑明顯小于去活力帶制成的緯線直徑，與之前結(jié)果一致，使表面波紋顯著減少。與去活力化移植物相比，脫細(xì)胞TEVG的經(jīng)線明顯更寬，緯線密度更低。在TEVG脫細(xì)胞后，緯線密度增加62%，經(jīng)線密度降低10%。脫細(xì)胞移植物的內(nèi)徑也略小（7%），但壁薄得多（35%）。去活力TEVG與脫細(xì)胞TEVG之間最重要的區(qū)別是，脫細(xì)胞TEVG的透壁通透性要高得多（288%）。與去活力TEVG相比，脫細(xì)胞TEVG的爆破壓明顯更高（96%），但縫合保持強(qiáng)度不變。最后，脫細(xì)胞TEVGs的順應(yīng)性明顯降低，與爆破壓增加情況一致。
總結(jié)與展望
本文開(kāi)發(fā)了一種更加優(yōu)化的編織設(shè)計(jì)，生產(chǎn)出一種人工編織組織工程血管TEVG，其結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能都比初代原型有所提高。通過(guò)更好了解編織參數(shù)與接枝特性之間的關(guān)系，本文建立了一個(gè)知識(shí)庫(kù)，為開(kāi)發(fā)編織TEVG或其他基于CAM的紡織品提供支持。該工具可用于根據(jù)體內(nèi)性能調(diào)整移植物設(shè)計(jì)。下一步將把這種優(yōu)化的TEVG植入異體動(dòng)靜脈分流動(dòng)物模型中，研究其在機(jī)械和免疫環(huán)境下的重塑和性能，為進(jìn)一步臨床應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
文章來(lái)源：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1758-5090/ad0d14
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