聚氨酯人工血管改性促進(jìn)內(nèi)皮化研究進(jìn)展

程戈，付慧莉*

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聚氨酯人工血管改性促進(jìn)內(nèi)皮化研究進(jìn)展

程戈，付慧莉*

（武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢，430205）

動脈粥樣硬化引起的心血管疾病已成為人類健康的巨大威脅，血管移植作為治療這類疾病的有效手段被廣泛應(yīng)用．聚氨酯由于其良好的水滲透性、血液相容性和與天然血管相匹配的順應(yīng)性，被視為制作血管移植物的優(yōu)勢材料．然而，作為小口徑人工血管時(shí)，血管內(nèi)壁常伴有血栓形成和內(nèi)膜增生等問題，為了解決這些難題，對聚氨酯人工血管進(jìn)一步改性，提高生物相容性，實(shí)現(xiàn)內(nèi)皮化，是國內(nèi)外研究者的主要研究方向．

聚氨酯；人工血管；內(nèi)皮化；改性

引言

動脈粥樣硬化(atherosclerosis，AS)指動脈內(nèi)膜聚集黃色粥狀脂質(zhì)代謝物，導(dǎo)致動脈壁變厚變硬，血管壁狹窄．是冠心病、腦梗死等血管疾病主要誘發(fā)原因，發(fā)病率與死亡率在全球范圍內(nèi)歷年增高[1-2]．血管移植術(shù)是這類疾病的常用治療手段，國外這種手術(shù)更為普遍[3]．可供移植的血管類型有很多，自體靜脈血管數(shù)量多、易尋找，而且不引發(fā)排異、凝血等現(xiàn)象，機(jī)械性能和生物相容性好，被稱為血管移植的“最佳準(zhǔn)則”[4]．自體移植材料源自患者本身，在取材時(shí)易造成二次傷害，當(dāng)患者無法承受二次傷害時(shí)，常用人工血管作為代替物．自1952年Voorhees首次應(yīng)用滌綸樹脂（Polythylene Terephthalate，PET）人造血管移植于犬的腹主動脈成功以來，人工血管的研究與發(fā)展已有近60年歷史，其材料有天然生物材料如絲素蛋白、細(xì)菌纖維素、膠原等，合成材料如滌綸（PET）、膨體聚四氟乙烯（Expanded Polytetrafluoroethylene，ePTFE）和聚氨酯（Polyurethane，PU）等[5]。

目前，膨體聚四氟乙烯（ePTFE）和滌綸（PET）制作的大口徑人工血管移植達(dá)到預(yù)期的效果，但是小口徑人工血管（＜6mm）移植后長期通常率低，主要原因是血小板聚集于管壁，凝血酶原使小直徑管腔更易形成血栓堵塞，此外人工血管的表面孔隙率及滲透壓也是誘導(dǎo)血小板聚集的重要因素[6]．以天然血管為標(biāo)準(zhǔn)，研究者發(fā)現(xiàn)血管內(nèi)皮細(xì)胞是防止血栓形成和抑制內(nèi)膜增生的關(guān)鍵[7]．因此作為天然血管的替代物，人工血管除了具有能適應(yīng)血壓變化的順應(yīng)性，維持血管壁完整的力學(xué)穩(wěn)定性外，還要具備內(nèi)皮細(xì)胞的功能．相比于PET和ePTFE人工血管，PU人工血管順應(yīng)性和抗凝血性更好，彈性模量更接近天然血管。

1 聚氨酯人工血管

PU是帶有－NH-COO－特征基團(tuán)的雜鏈聚合物，由軟段多元醇（聚酯、聚醚等）和作為硬段的異氰酸酯與小分子擴(kuò)鏈劑（二元醇、胺）聚合組成，用擴(kuò)鏈劑可以提高分子量[8]．

軟段與硬段的化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致聚氨酯內(nèi)部微相分離，改變軟段與硬段的種類和比例可以調(diào)節(jié)聚氨酯的玻璃化溫度（Tg）、熔點(diǎn)、彈性模量、抗張強(qiáng)度和吸水性等多種性質(zhì)[8-10]．聚氨酯人工血管的制備方式有很多，研究最多的有兩種方法：

1.1 冷凍干燥法

將室溫大氣壓下的聚合物溶液（溶劑/溶質(zhì)/蒸汽）急速冷凍，變?yōu)楣腆w混合物（冰/溶劑），保持冷凍狀態(tài)減壓到相點(diǎn)（冰/溶劑/蒸汽）以下，慢慢升溫升華除去溶劑，得到多孔材料[11]。

Gao等[12]利用冷凍干燥法，將聚醚型聚氨酯（質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%）和聚硅氧烷改性聚氨酯（質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%、30%）共混注入玻璃模具中，制成內(nèi)徑1.6 mm、壁厚2 mm孔徑分布均勻的小口徑PU人工血管。

Wang等[13]用冷凍干燥法制得三種內(nèi)外表面性質(zhì)不同，內(nèi)徑為1.5 mm的PU人造血管，各取一厘米分別植入大鼠的腎下腹主動脈中，觀察2 W、4 W、8 W時(shí)的情況，證明了內(nèi)皮細(xì)胞會跨越吻合端向人工血管中間生長。

1.2 靜電紡絲法

將高壓電場施加在噴霧嘴和接受裝置之間，使聚合物溶液或熔體在電場力的作用下克服表面張力，在紡絲噴頭毛細(xì)管尖端形成射流，由于靜電斥力和表面張力的存在，射流沿不穩(wěn)定方向螺旋旋轉(zhuǎn)并被拉伸數(shù)千倍，隨溶劑揮發(fā)，射流固化形成亞微米至納米級超細(xì)纖維[14]。

賀薇等[15]使用靜電紡絲法，制備出內(nèi)徑4 mm，平均孔隙率為(51.48±4.47)%，軸向抗拉強(qiáng)度為(5.85±0.62)Mpa，具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的PU人工血管。

Punnakitikashem等[16]將生物可降解彈性聚氨酯脲與藥物雙嘧達(dá)莫共混，用靜電紡絲技術(shù)制成的人工血管在滿足生物功能的同時(shí)，拉伸應(yīng)變強(qiáng)度與人類冠狀動脈相似。

Yu等[17]將熱塑性聚氨酯與絲素蛋白混合，通過靜電紡絲技術(shù)，制備出具有有規(guī)內(nèi)層和無規(guī)外層的聚氨酯/絲素人工血管，并在其表面發(fā)現(xiàn)超細(xì)納米纖維和納米網(wǎng)結(jié)構(gòu)，這種特殊結(jié)構(gòu)可以有效增加細(xì)胞粘附和遷移的表面積。

Wong等[18]將彈性蛋白和膠原加入到PU靜電紡絲液中，制得的人工血管與PU人工血管做對比，發(fā)現(xiàn)共混后的PU人工血管的應(yīng)力峰值從7.86 MPa提高到28.14 MPa，平滑肌血細(xì)胞（Smooth Muscle Cell，SMC）的黏附率提高了283%，這項(xiàng)研究改善了血管移植物與動脈力學(xué)特性不匹配的問題。

2 聚氨酯人工血管內(nèi)皮化

PU作為人工血管的材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，但其固有的惰性性質(zhì)妨礙細(xì)胞與基質(zhì)相互作用，導(dǎo)致抗凝血性、長期通暢率欠佳[19]．如果在血流中循環(huán)的內(nèi)皮祖細(xì)胞（Endothelial Progenitor Cells，EPCs）能被捕獲在植入的人工血管壁上，形成內(nèi)皮化的表面，在血管內(nèi)壁形成人靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（Human Umbilical Vein Endothelial Cells，HUVEC）層，則PU人工血管的抗凝血性能增強(qiáng)，表現(xiàn)出高通暢率。

2.1 表面接枝改性

在生物環(huán)境中，血管材料的一些特性由其表面性質(zhì)所決定，大多數(shù)生物反應(yīng)發(fā)生在血管壁與血液的臨界面．通過對人工血管表面改性的方式，可以促進(jìn)其與血液接觸時(shí)的內(nèi)皮化進(jìn)程。

Butruk-Raszeja等[20]以硅烷作聯(lián)接基團(tuán)將REDV肽（Arg-Glu-Asp-Val序列肽）與聚氨酯共價(jià)鍵合，進(jìn)行表面修飾，結(jié)果表明，接枝改性的REDV-PU內(nèi)皮細(xì)胞粘附效果明顯，表面纖維蛋白原和血小板的粘附與普通PU人工血管相比大幅度減少。

Fang等[21]用肝素對具有二硫化物和氨基的聚酯型聚氨酯進(jìn)行共價(jià)綴合，被修飾的PU人工血管與未經(jīng)修飾的PU人工血管，用HUVEC和EPCs增殖效率作對比，結(jié)果顯示經(jīng)過修飾的PU人工血管EPC增值率更佳，對血小板粘附的阻礙效果更佳。

Hou等[22]用高爐法（Blast furnace method，BF method）將籠型聚倍半硅氧烷（Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane，POSS）和PU制成微孔膜，然后將明膠接枝在微孔膜表面，經(jīng)表征測試后將高度有序微觀結(jié)構(gòu)的薄膜放入HUVEC體外培養(yǎng)，再由死/活細(xì)胞染色試劑和四唑單鈉鹽法（WST-1）細(xì)胞增殖實(shí)驗(yàn)檢測，結(jié)果顯示用明膠接枝后的PU/POSS微孔膜上內(nèi)皮細(xì)胞粘附和增殖明顯增強(qiáng)。

2.2 管壁涂覆改性

使用涂層可以使材料表面獲得期望的性質(zhì)，維持其原有分子結(jié)構(gòu)的同時(shí)，不損害其固有的性質(zhì)．

Soletti等[23]靜電紡絲制得內(nèi)徑1.3 mm的聚酯型聚氨酯脲（Polyurethane-urea，PEUU）人工血管，并在內(nèi)腔涂覆抗血栓物質(zhì)2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸膽堿（2-Methacryloyloxyethyl Phosphorylcholine ,MPC），植入大鼠主動脈觀察，與未經(jīng)涂覆的對照組相比，8 W時(shí)通常率為92%（涂覆）與40%（未涂覆），對8 W和12 W的植入血管進(jìn)行組織學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)在血管的內(nèi)壁順血流方向形成內(nèi)皮層。

Miyazu等[24]靜電紡絲制得一種PU人工血管，管壁由一種光聚合明膠凝膠層涂覆而成，涂覆層中含有可選擇性捕獲EPCs的細(xì)胞受體和能促進(jìn)血管新生的血管內(nèi)皮生長因子（Vascular Endothelial Growth Factor，VEGF），在涂覆層中接種和培養(yǎng)單核細(xì)胞作內(nèi)皮化表達(dá)標(biāo)志物，結(jié)果表明VEGF持續(xù)釋放時(shí)間可達(dá)1 W，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)原位捕獲內(nèi)皮祖細(xì)胞，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)皮化。

2.3 等離子輻射與鏈內(nèi)改性

將具有生物功效的物質(zhì)整合到PU鏈段中，使其具有一定的生物功效；或者用離子束照射和離子體技術(shù)使其表面活化，富含活性基團(tuán)，改變其表面化學(xué)性質(zhì)．可以改善PU人工血管的生物相容性，促進(jìn)其內(nèi)皮化。

Park[25]等把經(jīng)過聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PGLA）接枝改性的PU電紡絲（PU/PGLA）薄膜，用氬等離子體微波輻射，研究其對HUVEC附著和生長的影響．結(jié)果表明，與未經(jīng)氬等離子體輻射的PU/PGLA薄膜相對比，等離子體改性后的PU/PGLA薄膜表面更親水，且粗糙程度增加，HUVEC的增殖和附著效果更好。

玄光善等[26]用CO2、NH3等離子體處理靜電紡絲法制得的PU血管支架，然后通過交聯(lián)劑將膠原蛋白及硫酸軟骨素整合到PU支架上．設(shè)立4組對照（A:等離子處理并交聯(lián)的PU復(fù)合材料；B：等離子處理未加交聯(lián)劑，但浸泡在膠原硫酸軟骨素中的PU材料；C：僅等離子處理的PU材料；D：無處理的PU材料）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，A組具有更好的表面粗糙度、親水性和機(jī)械性能，可以促進(jìn)HUVEC的增值和附著，無細(xì)胞毒性。

Lim等[27]通過微波誘導(dǎo)氬氣等離子對PU薄膜改性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示改性后的PU薄膜因?yàn)楸砻娲植诙仍黾訉?dǎo)致親水性顯著增強(qiáng)，并且HUVEC在改性后的PU薄膜上增殖與附著效果增強(qiáng)。

3 結(jié)束語

人工血管作為治療血管類疾病的有效手段在國際領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其中PU因?yàn)槠湮锢砗突瘜W(xué)性質(zhì)可以通過合成過程中軟硬段比例的調(diào)控人為掌握，非常適合作為血管移植物的基礎(chǔ)材料．作為血管代替物，對人工血管進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)其內(nèi)皮化是提高臨床治療效果的必要手段．隨著科研工作的進(jìn)行，越來越多促進(jìn)內(nèi)皮化的方法將被推出，PU這種可控性好、易改性的材料具有十分廣闊的前景。

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Advances in Studies on the Promotion of Endothelialization by Polyurethane Artificial Blood Vessel

CHENG Ge, FU Huili*

（School of Material Science and Engineering, Wuhan Institute of Technology, Hubei Wuhan, 430070, China）

The cardiovascular disease caused by atherosclerosis has become a huge threat to human health,vascular transplantation as an effective means of treatment of these diseases is widely used. Polyurethanes are considered to be the dominant material for the production of vascular grafts due to their good water permeability, blood compatibility and compliance with natural blood vessels. However, as small-diameter artificial blood vessels,vascular walls often accompanied by thrombosis and intimal hyperplasia,in order to solve these problems, further modification of polyurethane artificial blood vessels, improve biocompatibility, to achieve endothelialization, is the main research researchers direction.

polyurethane; vascular graft; endothelialization; modification

程戈, 付慧莉. 聚氨酯人工血管改性促進(jìn)內(nèi)皮化研究進(jìn)展[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì), 2017, 6(5): 26-28.

CHENG Ge, FU Huili. Advances in Studies on the Promotion of Endothelialization by Polyurethane Artificial Blood Vessel[J]. Peak Data Science, 2017, 6(5): 26-28.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.05.010

TQ323.8

A

1672-9129(2017)05-0026-03

2017-01-19；

2017-03-06。

程戈（1992-），男，內(nèi)蒙古烏海人，就讀于武漢工程大學(xué)，碩士研究生在讀，研究方向：生物醫(yī)用聚氨酯合成。E-mail: 341292158@qq.com