組織工程血管高分子生物支架研究進展

曹西迎(綜述)，翁國星(審校)

(1.福建醫科大學省立臨床醫學院心血管外科，福州350001;2.福建省立醫院心血管外科，福州350001)

組織工程血管廣泛用于心血管疾病的外科手術治療。目前，冠狀動脈粥樣硬化性心臟病的發病率呈現出逐年上升的趨勢［1］，仍以冠狀動脈搭橋移植術作為主要治療手段［2］。手術中主要用自體靜脈和(或)動脈血管作為移植物。但有些患者由于沒有適合移植的自體血管，導致血管移植管道來源受限［3］。而傳統人工血管材料由于免疫排斥反應，血管壁吻合口增生，血栓形成等各種原因，導致遠期通暢率降低，影響預期臨床治療效果。因此，具有血管再生潛能的組織工程血管高分子生物支架的出現頗有意義，它可替代自體血管用于血管移植手術。

1 血管組織工程的發展

1.1 組織工程 1984年馮元禎首次提出組織工程的概念。1987年由美國國家科學基金會正式提出和確定組織工程的概念，并指出組織工程可認為有兩種領域:組織替代與組織再生。1988年，有研究指出，組織工程是涉及工程和生命科學的應用原則與方法，在正常組織和病理組織中建立結構功能關系，來重建、維持或提高組織功能［4］。1993年，Langer等［5］指出，組織工程具有產生隨患者生長的免疫相容性的器官或組織替代物的潛能。因此，組織工程對組織的再生具有重大意義。

1.2 組織工程血管 人工血管的替代與重建通過血管組織工程學完成，即體外將正常的血管壁細胞分離、培養并種植于細胞外基質上，構建自體血管后植入體內，完成替代或修復。1998年L'Heureux 等［6］研究發現，人血管平滑肌細胞和維生素C共同培養后產生一片膜狀結構，并制作出三維結構的可以自我更新的組織工程血管，可以減低感染的發生，降低機體免疫反應，有利于提高遠期通暢率。雖然該人工血管還缺乏足夠的動物實驗及臨床觀察來判斷其在體內的生物學行為。但這足以證實種植血管內皮細胞后的組織工程血管用于血管移植的可行性。

1.3 組織工程血管生物支架 臨床上血管移植手術需要各種口徑及具有良好遠期通暢率的人工血管。人工血管移植術后，存在植入部位流體力學作用、病損環境的促凝作用、組織材料的構象和組分等影響遠期通暢率的各種因素［7］。臨床工作中發現人工血管移植物在移植后仍然存在血管再狹窄情況，面臨血栓形成、血管阻塞的危險。尤其是小口徑人工血管(直徑 ＜6 mm)仍存在許多問題，面臨挑戰［8］。而內皮細胞的植入明顯改善并減少血栓形成。為此，血管組織工程學重點在于制作組織工程血管生物支架，并將單層內皮細胞植入組織工程血管生物支架內壁。通過組織工程血管生物支架適合的結構及強度來達到臨床功能:包括為細胞提供可以支撐的底物;具有暫時的機械性能為新組織細胞提供三維結構及支配新生組織功能性的發展。但是，種子細胞與組織工程血管生物支架材料之間的結合，往往得不到滿意的結果，血管內皮細胞的黏附問題，組織相容性問題仍然得不到很好的解決。為此，人們從高分子材料選取、組織工程血管高分子生物支架的制作技術等不同角度提高組織工程血管高分子生物支架的組織相容性。

2 組織工程血管生物支架材料

選擇具有良好組織相容性的組織工程血管生物支架材料，無疑是組織工程血管生物支架發展的基石。高分子材料具有較好的物理機械性能、分子結構更接近于生物體的分子結構，被廣泛用作生物材料，并已在組織工程領域發揮著重要作用。目前，高分子生物材料已應用于骨科的骨組織的修補以及韌帶的置換［9］，泌尿外科及肝膽外科的管道組織置換與修補，整形外科以及眼耳鼻喉科、神經科的組織修復［10］，是在組織工程中應用最廣、研究最多，最具發展潛力的材料。

2.1 組織工程血管生物支架材料的條件 良好的組織工程血管生物支架材料應具有良好的組織相容性和血液相容性，與宿主健康血管相近似的動力學性能;能與所替代的血管愈合成一體，不易形成血栓，性能穩定，可塑性好，能選擇不同的口徑和長度［11］。還應具有力學強度好，微孔結構、材料降解時間可調控的優點，最后完全降解，避免異物反應所引起的不良反應。

2.2 組織工程血管生物支架材料分類

2.2.1 天然生物支架材料 主要有甲殼素、葡聚糖明膠、膠原蛋白、彈性蛋白、多聚氨基酸、多肽、透明質酸及其復合物等。多由正常組織細胞外的高分子合成，本身包含許多生物信息，能夠提供細胞所需的信號。與細胞親和性強，能為細胞的生長、增殖、分化及功能發揮提供近似體內的發生發育的細胞外基質支架條件，能使細胞聚集成組織，控制組織結構，調節細胞表型。植入體內時無或只有極低的免疫排斥反應，而且構建的組織工程血管具有良好的順應性［8］。

2.2.2 去細胞生物源性生物支架材料 脫去細胞的動脈，含有細胞抗原的脂質體和可溶性黏多糖均被除去，而其結構蛋白(如膠原纖維和彈性纖維)排列有序，保存良好，結構蛋白的存在，可使脫細胞的移植物在植入體內之前被自體細胞重新植入。由于取出了細胞抗原，尤其是內皮細胞抗原，可以防止異體移植物引起的炎性反應和免疫反應。但是該種血管存在如何完全去除細胞和血管韌性等問題［5］。

2.2.3 可降解高分子生物支架材料 主要有聚乳酸及其共聚物、聚己內酯、聚羥基丁酸酯、膨體聚四氟乙烯和滌綸等。高分子生物材料具有良好的生物相容性，生物可降解性和可吸收性，而且其強度、降解速度、微結構和滲透性具有可控制性。但膨體聚四氟乙烯和滌綸生物機械性及細胞相容性限制其發展及應用。研究發現，聚乳酸作為一種可降解的具有良好生物相容性的高分子生物材料，可在體內降解生成糖的代謝產物乳酸，最終產物為二氧化碳和水，無毒害作用。并且有生物降解周期可調性、良好的加工性的優點。在硬骨支架、內固定器制作［12］、軟骨、神經等組織修復中得到了廣泛的臨床應用［13］，不失為一種理想的組織工程血管生物支架材料。

3 組織工程血管高分子生物支架制作技術及結構改造

3.1 傳統生物支架制作技術 添加致孔劑法、氣體發泡法、粒子瀝濾法、溶膠-凝膠法、有機泡沫浸漬法、冷凍干燥和溶液澆注/鹽析法等工藝可以制備多樣性的微觀孔隙結構的支架，且孔隙率較高，但很難達到200 μm以下適合細胞營養物質交換的微孔結構［14］。自由形態固體支架制作通過層狀制作工藝制作三維空間支架，利于氧氣和營養物質進入支架內部。

3.2 納米纖維生物膜制作技術 自組裝技術、相分離法、靜電紡絲法是用于制備納米薄膜的技術。其中，自組裝技術可以制作直徑5～8 nm，長1 μm的納米纖維，因制作程序復雜，受到限制。相分離法制作簡單，但規模較小，只限于實驗室研究制作。靜電紡絲技術［15］能夠連續、快速、簡便地制備超細甚至納米纖維。納米纖維膜不僅具有微米甚至納米級的孔洞，而且孔隙率非常高。該技術操作設備簡單、形態和機械性能可控，并且可制作各種三維支架而得到發展。有研究聯合相分離和靜電紡絲技術，制作亞微米直徑帶有直徑為100 nm孔洞的纖維支架［16］。對于各種制作適合細胞黏附增殖纖維的技術，人們的評價金標準不一。此外據研究，根據收集裝置不同的靜電紡絲技術制作的網格型纖維膜較無紡型纖維膜更有利于細胞黏附與細胞在纖維膜內的增殖。

3.3 組織工程血管高分子生物支架結構改造

3.3.1 表面改性 通過改善生物支架材料構造調節機體愈合反應，以及通過體外細胞培養后植入體內可提高生物支架材料的組織相容性。Zhu等［17］將明膠/順丁烯二酸殼聚糖涂于聚乳酸材料外膜以加強其細胞黏附性。Quirk等［18］研究表明，在共聚物表面涂抹聚賴氨酸-五肽可明顯提高牛血管內皮在共聚物上的黏附功能。Curtis等［19］研究納米顯微結構時表明，表面具有排列不規則的納米孔徑結構材料相對相同孔徑但排列規則的納米材料來說，更適合細胞的黏附與增殖活動。

3.3.2 內部結構改造 Ryu等［20］研究發現，生物支架材料的空間結構中合適的多孔結構，三維多孔且內部貫通的網絡結構可適應細胞間交換，氧氣、營養物質的輸送及代謝物的排出，從而影響細胞的生長。通過空間結構改造，使支架材料在三維空間結構、表面的理化及生物學性質等方面模擬自然血管:支架大小(mm～cm級)決定組織工程血管口徑和長度;支架孔隙的形態結構和大小(μm級)調節細胞的遷移與生長。因而，對多孔生物支架的構建以及多級孔徑的合理設計成為當今研究的熱點。McCullen等［21］制備聚乳酸納米復合物纖維，通過納米碳纖維增強種植的細胞間相互作用，提高細胞黏附與增殖。Baman等［22］利用三氟乙醇在聚乳酸生物支架材料中建立通道，可以使細胞與支架的黏附更加容易。Wang等［23］利用超聲瞬間腔化作用使得聚乳酸生物支架材料原有泡沫樣空間結構中多孔之間相連通，明顯促進了細胞的黏附作用，改善了生物支架的組織相容性。

3.4 納米纖維生物支架 研究發現［24］納米纖維生物支架的細胞的黏附與增殖活動與納米纖維的直徑有直接關系，在一定范圍內，細胞的黏附和增殖率呈現出雙峰狀分布的表現。多孔組織工程血管高分子生物支架結構應具有互相連通的大孔、微孔和介孔多級孔徑結構增加材料的比表面積，利于氧氣和營養物質的傳輸及代謝物的排出，對于細胞的黏附、增殖、分化的調控起著非常重要的作用。多級孔徑結構的納米纖維生物支架對組織工程結構的研究具有重要意義及臨床應用前景。

縱觀國內外各項研究，不斷探索發現新的組織血管替代物。應用良好細胞相容性的新型高分子材料和靜電紡絲納米纖維支架制作技術，具有可制作高組織相容性的組織工程血管高分子生物支架，最終替代自體血管并實現血管再生的潛能，在血管組織工程領域具有良好前景，對心血管病外科治療的發展也有重大意義和深遠影響。

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