科技資訊寫作大賽 | 蔣興宇Adv. Mater.：微流控技術構建尺寸結構自調節人工血管

CZM 6年前 (2017-05-24) 5594瀏覽

材料人首屆科技資訊寫作大賽自5月13日發布征稿通知以來（參賽詳情請戳我），受到讀者們的廣泛關注。本文由國家納米科學中心的成詩宇投稿。

【引言】

心血管疾病一直是威脅人類生命的第一致死疾病。其中冠狀動脈粥樣硬化由于引起血管堵塞，致死致癱率極高。臨床上主要采用藥物治療、冠狀動脈介入治療、心臟搭橋等治療手段。世界范圍內，每年有超過100萬例以上病人需要進行心臟搭橋手術，其替代移植體主要為患者自體的腿部大隱靜脈、胸下左乳動脈、橈動脈等，一旦出現自體損傷或搭多處橋的情況，就會導致自體血管供應量不足。與自體血管相比，人工血管來源豐富，且避免了額外的二次手術，但存在免疫排斥、鈣化、炎癥、力學性能不匹配等諸多問題。目前商業化的異體移植物主要為膨化聚四氟乙烯（ePTFE）、滌綸（PET）、聚氨酯（PU）等材料制成的人工血管，已經廣泛應用于大口徑（> 6 mm）受損血管的替代，臨床上取得了很好的治療效果，但小口徑（< 6 mm）的血管移植中效果不佳，主要由于小口徑人造血管生物相容性差、順應性不能與自體血管相匹配，易引起內膜增生和血栓形成等。到目前為止還沒有能夠解決該問題的有效手段，小直徑血管的構建問題亟待突破。

【成果簡介】

近期，國家納米科學中心、中國科學院納米生物重點實驗室、北京生物醫學檢測工程中心的蔣興宇（通訊作者）團隊成詩宇（第一作者）等人，利用微流控和納米材料模擬自體血管結構，構建了直徑為2-3mm、具有自調節結構功能的可降解人工血管，通過體外長期培養對其生物相容性、力學性能、降解性能等進行了考察，并以大白兔為動物模型進行動脈移植術，初步驗證了其暢通性。他們利用聚己內酯（PCL）和聚乳酸乙醇酸共聚物（PLGA）兩種生物可降解高分子，制備了靜電紡絲納米薄膜；通過設計適當結構的微流控細胞種植芯片，模擬三種血管細胞（內皮細胞、平滑肌細胞、成纖維細胞）在真實血管中的排布結構，對靜電紡絲薄膜表面進行了二維圖案化；利用張力誘導自卷曲薄膜技術，實現了二維薄膜向三維血管結構的轉化，從內到外形成了“內皮細胞/PCL/平滑肌細胞/PLGA/成纖維細胞/PLGA”的多層管狀血管結構。該血管結合了PCL和PLGA兩種高分子材料的特性，在長時間的體外培養中，PCL紡絲層逐漸膨脹；相反，PLGA紡絲層逐漸收縮，整體上實現了結構的自我調節，保持整個管狀結構內徑不變。隨著培養時間增加，PCL與PLGA材料會逐漸降解，不同細胞將會取代相應的高分子材料，從而實現自體血管的重構。他們使用構建的人工血管進行了兔頸動脈置換術，進行了三個月的多普勒超聲原位觀察以及取材切片觀察，超聲結果表明該人工血管保持了自體血管結構，具有良好的遠期通暢性，切片結果顯示人工血管在體內發生了一定程度降解，并誘導了血管組織新生及相關蛋白的分泌。

【圖文導讀】

圖1血管制備流程及變化趨勢示意圖

(a-b) 靜電紡絲制備PCL-PLGA薄膜；

(d-f) 三種血管細胞（內皮細胞、平滑肌細胞、成纖維細胞）的二維圖案化；

(g-h) 貼附細胞的二維薄膜受剪切后自卷曲為三維血管；

(i) 卷曲后人工血管呈現為類似真實血管的多層結構（內皮細胞-PLGA-平滑肌細胞-PCL-成纖維細胞-PCL）；

(j) 人工血管經過培養后，內層直徑變大，外層直徑收縮，且伴隨細胞增殖與材料降解。

圖2 PCL-PLGA靜電紡絲共紡薄膜表征

(a)DiO/DiD染色的PCL/PLGA靜電紡絲PCL-PLGA薄膜；

(b-g) 共聚焦顯微鏡下，共紡薄膜不同區域的PCL/PLGA纖維形態、分布及三維重構。

圖3 結構自調節人工血管的體外測試及生物性能評價

(a-e) PCL-PLGA薄膜的纖維形態與直徑統計；

(f-i) PCL-PLGA薄膜表面細胞圖案化，及其三維轉化過程；

(j) PCL-PLGA血管經過長時間培養，PCL/PLGA的質量損失；

(k, l) 長時間體外培養下，PCL血管直徑變大，PLGA血管直徑變小，PCL-PLGA血管內層膨脹、外層收縮，直徑趨于穩定；

(m) 二維圖案化后的內皮細胞，平滑肌細胞，成纖維細胞具有良好的活性；

(o-p) 經過三維轉化后，細胞在血管中的分布；

(q) 體外培養一個月后，人工血管形成了致密的內皮細胞層；

(n, r) PCL/PLGA/PCL-PLGA血管的拉伸性能及順應性良好。

圖4 利用PCL、PLGA、PCL-PLGA血管進行兔子頸動脈置換術并利用多普勒超聲對其通暢性進行了原位觀測

(a, b) 利用2mm直徑的人工血管進行新西蘭大白兔頸動脈吻合術；

(c, d) 植入體內后，利用多普勒超聲對頸動脈進行原位觀測，并對其血液流速進行實時同步；

(e) PCL/PLGA/PCL-PLGA血管術后3個月的通暢情況，PCL-PLGA血管在3個月后仍保持通暢，PLGA血管在第二月后表現為堵塞，PCL血管在第一月后表現為堵塞。

圖5 自體血管、PCL、PLGA、PCL-PLGA血管的切片染色

(a) H&E染色結果表明，PCL-PLGA血管材料發生降解、細胞進入材料內，PLGA血管結構被增生細胞破壞并發生堵塞，PCL血管發生血栓；

(b) Verhoeff、Masson、Safranin’O染色結果表明，PCL-PLGA血管中有彈性纖維蛋白、膠原蛋白、粘多糖的生成；

【總結】

蔣興宇研究團隊的該研究結果，對低于6mm直徑的小血管構建有著重要的意義，該研究中所使用的PCL和PLGA兩種高分子均已被美國FDA批準用于植入體，相對于其他小血管構建方法，其后續藥監局審批和商業化將會更加容易。此外，該工作也是現在“芯片上的組織”和“芯片上的器官”的重要進展，為體外培養含有多種活細胞、并具有血管功能的的組織和器官奠定了堅實的基礎。這些芯片上的器官在分析檢測、信號轉導、藥物篩選等方面有廣泛應用。

蔣興宇研究團隊一直致力于血管模型的構建和研究。根據天然血管不同細胞組成多層管狀結構的特點，將平面上的細胞圖案化技術和應力引發自卷曲技術結合成功實現了多種細胞在三維管狀結構上的層狀分布。同時，在自卷曲膜的表面通過光刻和軟刻蝕技術可以制備微結構，根據接觸誘導的原理在管結構中實現血管壁細胞的環形和縱形分布。從而解決了如何在體外實現三維結構的多種細胞的可控分布的研究難點，實現了在體外最真實的模擬體內血管結構。該研究的系列成果陸續發表于Advanced Materials，24,890(2012)封面文章；Advanced Functional Materials, 23, 42 (2013); Small, 9,2410 (2013)。

本研究工作作為VIP文章發表在Wiley旗下的期刊Advanced Materials。文獻鏈接：Self-Adjusting, Polymeric Multilayered Roll that can Keep the?Shapes of the Blood Vessel Scaffolds during Biodegradation

材料牛編輯陳昭銘編輯整理。

標簽：生物材料