聚合物靜電紡纖維促進組織血管修復的研究進展

李慧妍，張紅，陳茂華，張云，李孝紅

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聚合物靜電紡纖維促進組織血管修復的研究進展

李慧妍，張紅，陳茂華，張云，李孝紅

610031 成都，西南交通大學生命科學與工程學院（李慧妍、李孝紅），材料學院（張紅、陳茂華、張云、李孝紅）

近十年，由于不健康飲食習慣及人口的老齡化，缺血性血管疾病的發病率有逐年增高的趨勢。動脈缺血引發的腦部、心臟和外周血管疾病成為威脅人類健康的頭號殺手，引起了醫生和科研人員的廣泛關注和重視。目前臨床治療缺血性疾病的方法主要包括血管搭橋手術、腔內介入和藥物治療。這些方法雖然可以在一定程度上緩解缺血病癥，卻仍存在許多不足之處，如術后再閉塞以致需要二次手術、介入材料的生物相容性及機械性能不足以及藥物治療效果不夠穩定持久等問題。因此，需要探究更加有效的方法來促進缺血組織血管化，最大程度恢復組織血液供應。

組織工程血管是目前極具前景的治療手段，其中選擇合適的胞外基質支架是血管組織工程的關鍵。理想的血管組織工程支架應具有比表面積大，孔道連通性好，生物相容性高（低毒、無致癌性、無過敏反應、不會造成血栓和組織增生及感染），支架降解速率可控，力學性能適宜，能為細胞提供理想的生長環境等特點[1]。靜電紡纖維是一種低耗能、高效率的納米纖維制備技術，獲得的纖維支架材料選擇范圍廣、比表面積高、結構疏松多孔、能夠很好地模擬胞外基質。同時，電紡纖維還能攜載無機粒子或一些調控細胞行為的藥物、蛋白、基因等活性成分，其作為血管組織工程支架具有獨特的優勢[2-3]。

1 聚合物靜電紡纖維作為血管組織支架

聚合物靜電紡血管組織支架根據制備手段的不同可大致分為三種：單一聚合物纖維、復合纖維、多層電紡纖維。單一聚合物纖維是指采用單一聚合物電紡得到的電紡纖維，具有制備方便、廉價、適用材料廣泛的特點。天然高分子材料具有優良的生物學性能，如靜電紡膠原蛋白支架，其生物相容性優良且具有適宜的可降解性和弱抗原性[4]。但由于多數天然高分子支架機械性能不足，在一定程度上限制了其在血管修復中的應用。而人工合成高分子材料通常具備優異的物理學性能。Inoguchi 等[5]將丙交酯和己內酯的共聚物（PLCL）電紡，通過調節兩種材料的共聚比例可得到與血管彈性類似的人工血管支架。共混紡復合纖維是指采用兩種或兩種以上聚合物材料混合均勻后靜電紡得到的纖維。共混紡復合纖維可以將天然聚合物優良的生物相容性與合成聚合物的機械性能結合，解決單一聚合物纖維的血管支架難以同時滿足生物學和物理學性能等問題。Niu 等[6]采用兩種聚合物電紡，發現聚己內酯（PCL）和膠原共混電紡纖維交聯后可以得到機械性能和生物相容性優良的血管組織支架，該支架能夠促進內皮細胞和平滑肌細胞的黏附和增殖。Yin等[7]制備了膠原/殼聚糖/PLCL 三種材料共混電紡纖維，研究發現，當三種聚合物混合比例為 20:5:75 時能夠得到最接近天然血管的彈性強度，且內皮細胞能夠更多地黏附和鋪展在該血管支架上。

同軸電紡技術是將兩種互不相溶的聚合物溶液分別裝入一個同軸裝置的內外層中，殼層與芯層溶液以一定的流速在針頭處匯合，在高壓電場下制備得到具有“殼-芯”結構的納米纖維。通過改變同軸電紡纖維的芯層聚合物可調節支架的機械性能、控制藥物的釋放行為，改變殼層可調節細胞與支架間及支架纖維與纖維之間的表面相互作用。Gluck 等[8]制備了由天然聚合物與合成聚合物組成的“芯-殼”結構同軸電紡纖維，體外實驗證明，該纖維支架在動態的培養環境下耐受，并可促進細胞向纖維內部生長。另外，同軸電紡技術可將本不適合紡絲的材料作為芯層制備成纖維。如聚丙三醇癸二酸酯（PGS）具備優良的生物學和力學性能，但由于其分子量較低導致聚合物溶液黏度較低無法直接電紡，Ravichandran 等[9]采用同軸共紡法制備了外層為聚（L-乳酸）（PLLA）、內層為 PGS 溶液的“殼-芯”結構纖維，在 120 ℃下聚合得到可注射 PGS 短纖維心肌細胞支架，研究表明該支架能夠顯著促進心肌細胞黏附，具有作為心肌組織血管修復支架的潛能。盡管同軸電紡技術對于制備血管組織工程支架具有以上多方面優勢，但這一技術的產出率和重復性低，仍需要進一步研究改善[10]。

此外，多通道共紡和多層電紡也用來改善血管支架性能。多通道共紡是將不同聚合物放入不同噴絲管，可同時在接收器上收集到由多種纖維混合的復合電紡纖維，適合于構建較復雜的組織纖維支架。Baker 等[11]采用雙通道共紡制備了聚氧乙烯（PEO）/PCL 電紡纖維支架。PEO 在水溶液中溶解后得到 PCL 的大孔隙率支架，有利于細胞向支架內部生長。多層電紡又稱分層構建技術，是依次將不同纖維分層沉積在接收器上。這一方法可以調節支架材料的多方面性能，如生物相容性、力學性質等，尤其在管狀血管組織支架構建中受到越來越多的關注。Madhavan 等[12]將 PCL 作為內層，膠原-殼聚糖作為外層制備了多層電紡管狀血管支架，并通過改變 PCL 的厚度和膠原-殼聚糖的交聯程度來調控支架的機械性能和生物學性能。Wang 等[13]制備了載肝素電紡聚氨酯/明膠混合管狀血管支架，其中內層為聚氨酯，外層為載肝素的明膠，結果顯示該血管支架不僅力學性能類似天然血管，并可持續釋放肝素，防止血栓的形成。

2 載活性成分的聚合物靜電紡纖維作為血管組織支架

靜電紡纖維血管組織工程支架一方面可以通過其三維多孔的特點，維護組織細胞外環境的穩定，為組織血管再生提供必要的條件；另一方面也可以在支架中添加活性成分，直接或間接促進血管新生及成熟化。

將活性蛋白如包括血管內皮生長因子（VEGF）、堿性成纖維生長因子（bFGF）、肝細胞生長因子（HGF）和血小板衍生生長因子（PDGF）等血管因子載入電紡支架可對蛋白進行保護和控釋，增強缺血組織的血管化，提高移植血管的成活[14]。Del Gaudio 等[15]將VEGF載入交聯的明膠電紡纖維，該纖維支架能夠在 28 d 內穩定、緩慢地釋放 VEGF，有效提高間充質干細胞活性，促進其在纖維上的增殖和黏附。1-磷酸鞘氨醇（S1P）可保護內皮細胞，對缺血組織損傷具有保護作用[16-17]。Zhang 和 Song[18]將聚乙二醇-聚乳酸共聚物（PELA）制備為載 S1P 的電紡納米纖維，結果表明，PELA 電紡纖維可穩定地包載和控釋調控血管生成的核轉錄因子S1P，有效保護蛋白活性，促進組織血管修復和再生。活性蛋白與新型電紡技術結合，可以有效模擬天然血管的復雜功能。Han 等[19]將多噴頭與多層電紡技術結合，采用明膠分別與載PDGF的聚乙二醇-聚乳酸-聚己內酯共聚物（PELCL）、載 VEGF 的 PLGA、PCL 共紡，制備載雙血管因子的內、中、外三層聚合物電紡小口徑血管支架。研究結果顯示，該血管支架具抗血栓，防止內膜增生，促進支架周圍血管生成的作用，并且血管支架機械性能與天然血管相似，是具有前景的小口徑血管替代物。

血管生長因子或其他能夠募集血管細胞的活性蛋白價格昂貴、容易失活[20]。而載基因的電紡血管組織支架可以通過持續釋放基因轉染周圍細胞，使自身組織細胞表達所需活性蛋白，發揮組織血管修復作用，引起越來越多的關注[21]。Luu 等[22]研究發現電紡纖維可以有效保護質粒 DNA 的結構和活性，長時間使其具有較高水平的細胞轉染率，由此證明電紡纖維可維持 DNA 的結構和活性。為提高基因轉染效率，Chen 等[23]制備攜載質粒-磷酸鈣復合粒子的 PELA 電紡纖維。體外實驗表明該控釋體系可以有效保護質粒的結構和生物學性能，并通過加入聚乙二醇（PEG）將質粒持續轉染的時間控制在1 周到1 個月的范圍，并且隨著纖維的降解，質粒持續 4 周緩慢穩定釋放，轉染靶部位細胞，模擬兩種血管生長因子體內協同作用，有效促進局部成熟血管密度的增加。

除了活性蛋白和基因，將一些具補氣血功效的中藥，如黃芪、當歸、丹參、莪術等載入電紡支架能夠通過抗氧化作用保護內皮細胞，促進內皮細胞增殖，且體內實驗證明可促進組織細胞分泌 VEGF 等血管生長因子[24-25]。Wang 等[26]將黃芪和當歸的有效成分黃芪甲苷（AT）和阿魏酸（FA）同時載入納米聚合物靜電紡纖維中，考察控釋雙中藥體系對組織血管修復的促進作用。結果表明，AT 和 FA 能夠協同促進血管相關細胞的生長、遷移以及新生血管成熟化。

3 展望

靜電紡絲技術制備出的納米纖維支架，特征類似于細胞外基質，有利于細胞的黏附、增殖和組織的長入，材料選擇范圍廣泛，物理學性能可調，并可同時包載控釋多種活性成分，是非常具有潛力的血管組織工程支架。同時，各種具有特殊功能和可精確控制纖維參數的電紡技術不斷出現，更為血管組織支架的臨床應用帶來了新的希望。為了構建具有更加良好的生物學和力學性能的血管組織工程支架，我們在提高電紡技術參數可控性和多樣性的同時，可繼續努力探索將電紡血管支架向三維化和纖維排列可控化方向發展，從組織水平、細胞水平、甚至是分子水平上控制血管支架上各功能細胞的細胞行為和功能化組織的形成。

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國家自然科學基金（51073130）

李孝紅，Email：xhli@swjtu.edu.cn

2014-03-26

10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2014.06.008