科技资讯写作大赛 | 蒋兴宇Adv. Mater.：微流控技术构建尺寸结构自调节人工血管

CZM 8年前 (2017-05-24) 6703浏览

材料人首届科技资讯写作大赛自5月13日发布征稿通知以来（参赛详情请戳我），受到读者们的广泛关注。本文由国家纳米科学中心的成诗宇投稿。

【引言】

心血管疾病一直是威胁人类生命的第一致死疾病。其中冠状动脉粥样硬化由于引起血管堵塞，致死致瘫率极高。临床上主要采用药物治疗、冠状动脉介入治疗、心脏搭桥等治疗手段。世界范围内，每年有超过100万例以上病人需要进行心脏搭桥手术，其替代移植体主要为患者自体的腿部大隐静脉、胸下左乳动脉、桡动脉等，一旦出现自体损伤或搭多处桥的情况，就会导致自体血管供应量不足。与自体血管相比，人工血管来源丰富，且避免了额外的二次手术，但存在免疫排斥、钙化、炎症、力学性能不匹配等诸多问题。目前商业化的异体移植物主要为膨化聚四氟乙烯（ePTFE）、涤纶（PET）、聚氨酯（PU）等材料制成的人工血管，已经广泛应用于大口径（> 6 mm）受损血管的替代，临床上取得了很好的治疗效果，但小口径（< 6 mm）的血管移植中效果不佳，主要由于小口径人造血管生物相容性差、顺应性不能与自体血管相匹配，易引起内膜增生和血栓形成等。到目前为止还没有能够解决该问题的有效手段，小直径血管的构建问题亟待突破。

【成果简介】

近期，国家纳米科学中心、中国科学院纳米生物重点实验室、北京生物医学检测工程中心的蒋兴宇（通讯作者）团队成诗宇（第一作者）等人，利用微流控和纳米材料模拟自体血管结构，构建了直径为2-3mm、具有自调节结构功能的可降解人工血管，通过体外长期培养对其生物相容性、力学性能、降解性能等进行了考察，并以大白兔为动物模型进行动脉移植术，初步验证了其畅通性。他们利用聚己内酯（PCL）和聚乳酸乙醇酸共聚物（PLGA）两种生物可降解高分子，制备了静电纺丝纳米薄膜；通过设计适当结构的微流控细胞种植芯片，模拟三种血管细胞（内皮细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞）在真实血管中的排布结构，对静电纺丝薄膜表面进行了二维图案化；利用张力诱导自卷曲薄膜技术，实现了二维薄膜向三维血管结构的转化，从内到外形成了“内皮细胞/PCL/平滑肌细胞/PLGA/成纤维细胞/PLGA”的多层管状血管结构。该血管结合了PCL和PLGA两种高分子材料的特性，在长时间的体外培养中，PCL纺丝层逐渐膨胀；相反，PLGA纺丝层逐渐收缩，整体上实现了结构的自我调节，保持整个管状结构内径不变。随着培养时间增加，PCL与PLGA材料会逐渐降解，不同细胞将会取代相应的高分子材料，从而实现自体血管的重构。他们使用构建的人工血管进行了兔颈动脉置换术，进行了三个月的多普勒超声原位观察以及取材切片观察，超声结果表明该人工血管保持了自体血管结构，具有良好的远期通畅性，切片结果显示人工血管在体内发生了一定程度降解，并诱导了血管组织新生及相关蛋白的分泌。

【图文导读】

图1血管制备流程及变化趋势示意图

(a-b) 静电纺丝制备PCL-PLGA薄膜；

(d-f) 三种血管细胞（内皮细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞）的二维图案化；

(g-h) 贴附细胞的二维薄膜受剪切后自卷曲为三维血管；

(i) 卷曲后人工血管呈现为类似真实血管的多层结构（内皮细胞-PLGA-平滑肌细胞-PCL-成纤维细胞-PCL）；

(j) 人工血管经过培养后，内层直径变大，外层直径收缩，且伴随细胞增殖与材料降解。

图2 PCL-PLGA静电纺丝共纺薄膜表征

(a)DiO/DiD染色的PCL/PLGA静电纺丝PCL-PLGA薄膜；

(b-g) 共聚焦显微镜下，共纺薄膜不同区域的PCL/PLGA纤维形态、分布及三维重构。

图3 结构自调节人工血管的体外测试及生物性能评价

(a-e) PCL-PLGA薄膜的纤维形态与直径统计；

(f-i) PCL-PLGA薄膜表面细胞图案化，及其三维转化过程；

(j) PCL-PLGA血管经过长时间培养，PCL/PLGA的质量损失；

(k, l) 长时间体外培养下，PCL血管直径变大，PLGA血管直径变小，PCL-PLGA血管内层膨胀、外层收缩，直径趋于稳定；

(m) 二维图案化后的内皮细胞，平滑肌细胞，成纤维细胞具有良好的活性；

(o-p) 经过三维转化后，细胞在血管中的分布；

(q) 体外培养一个月后，人工血管形成了致密的内皮细胞层；

(n, r) PCL/PLGA/PCL-PLGA血管的拉伸性能及顺应性良好。

图4 利用PCL、PLGA、PCL-PLGA血管进行兔子颈动脉置换术并利用多普勒超声对其通畅性进行了原位观测

(a, b) 利用2mm直径的人工血管进行新西兰大白兔颈动脉吻合术；

(c, d) 植入体内后，利用多普勒超声对颈动脉进行原位观测，并对其血液流速进行实时同步；

(e) PCL/PLGA/PCL-PLGA血管术后3个月的通畅情况，PCL-PLGA血管在3个月后仍保持通畅，PLGA血管在第二月后表现为堵塞，PCL血管在第一月后表现为堵塞。

图5 自体血管、PCL、PLGA、PCL-PLGA血管的切片染色

(a) H&E染色结果表明，PCL-PLGA血管材料发生降解、细胞进入材料内，PLGA血管结构被增生细胞破坏并发生堵塞，PCL血管发生血栓；

(b) Verhoeff、Masson、Safranin’O染色结果表明，PCL-PLGA血管中有弹性纤维蛋白、胶原蛋白、粘多糖的生成；

【总结】

蒋兴宇研究团队的该研究结果，对低于6mm直径的小血管构建有着重要的意义，该研究中所使用的PCL和PLGA两种高分子均已被美国FDA批准用于植入体，相对于其他小血管构建方法，其后续药监局审批和商业化将会更加容易。此外，该工作也是现在“芯片上的组织”和“芯片上的器官”的重要进展，为体外培养含有多种活细胞、并具有血管功能的的组织和器官奠定了坚实的基础。这些芯片上的器官在分析检测、信号转导、药物筛选等方面有广泛应用。

蒋兴宇研究团队一直致力于血管模型的构建和研究。根据天然血管不同细胞组成多层管状结构的特点，将平面上的细胞图案化技术和应力引发自卷曲技术结合成功实现了多种细胞在三维管状结构上的层状分布。同时，在自卷曲膜的表面通过光刻和软刻蚀技术可以制备微结构，根据接触诱导的原理在管结构中实现血管壁细胞的环形和纵形分布。从而解决了如何在体外实现三维结构的多种细胞的可控分布的研究难点，实现了在体外最真实的模拟体内血管结构。该研究的系列成果陆续发表于Advanced Materials，24,890(2012)封面文章；Advanced Functional Materials, 23, 42 (2013); Small, 9,2410 (2013)。

本研究工作作为VIP文章发表在Wiley旗下的期刊Advanced Materials。文献链接：Self-Adjusting, Polymeric Multilayered Roll that can Keep the Shapes of the Blood Vessel Scaffolds during Biodegradation

材料牛编辑陈昭铭编辑整理。

标签：生物材料