组织工程血管支架制备的研究

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心血管疾病是发病率和死亡率最高的疾病之一,目前全球因心血管疾病死亡者约占死亡构成比30%左右。较常用的治疗手段包括血管扩张术和血管移植。血管扩张术并不能彻底解决血管堵塞,且容易复发。而自体和供体血管的来源不足,限制了血管移植的治疗。随着组织工程的发展,人工血管正成为研究的热点。目前,已经有商品化的大口径血管移植物应用于临床,但是尚无理想小口径血管移植物(<6 mm)在临床上使用,本文着重对小口径血管材料的孔径、快速内皮化和降解性三个方面加以研究,以期为构建理想的组织工程血管奠定基础。  静电纺丝因能够产生类似于细胞外基质的纳米/微米纤维结构而被广泛应用于制备血管支架。但是,电纺纤维间过小的孔径限制了细胞向血管支架内部的迁移,阻碍了血管组织的再生。虽已有许多增加电纺支架孔径的方法,但其中多数方法不能应用于增加管状支架的孔径,而能够增加血管支架孔径的方法,细胞迁移效果又不理想。因此,本研究旨在发展一种细胞迁移效果显著且适用于血管支架的致孔方法。我们在电纺丝素蛋白(SF)或聚己内酯(PCL)纤维的同时电喷聚乙二醇(PEO)微球制备出SF或PCL-PEO复合支架,洗去PEO微球后得到致孔的SF或PCL纤维支架。扫描电子显微镜(SEM)显示SF或PCL-PEO复合支架中PEO微球在纤维中分布均匀,去除PEO微球后得到的致孔纤维支架平均孔径明显增加,而且其纤维形貌与不致孔组的SF或PCL纤维没有差别。体外种植的NIH3T3细胞明显地向致孔的SF或PCL纤维支架内部迁移。皮下埋植实验表明细胞能够快速地迁移进致孔的SF或PCL纤维支架。这些结果表明电喷PEO微球致孔的方法能够在使支架孔径明显增加的同时而不改变电纺纤维的形貌,而且增加的孔径能够促进细胞向支架内部的迁移。随后我们将这一致孔技术应用到电纺PCL血管支架中,在制备电纺PCL血管支架的过程中分阶段电喷PEO微球来制备三层(高孔隙率疏松层在两层致密纤维层之间)和双层结构的血管支架(高孔隙率疏松层在致密纤维层内或外)。SEM显示血管支架结构完整,疏松层孔径明显增加,且与致密层无分层现象。三种不同结构的血管支架的力学性能均能满足体内移植的要求。  目前,小口径人工血管移植失败的主要原因是血栓形成和内膜增生。内皮细胞是保持血管通畅性的天然调节物,在抗血栓形成、抑制血小板聚集、分泌血管活性因子等方面发挥着重要作用。因此,小口径血管支架材料的快速内皮化对血管植入后保持血管通畅和发挥正常功能至关重要。骨髓间充质干细胞(BMSCs)在组织工程血管领域已获得了广泛应用,本论文将DiI标记的BMSCs接种到含有5%卵磷脂的PCL电纺纤维膜上进行培养,用2mm直径钢管将细胞-支架复合物卷成管状,再向管状支架的内腔接种人脐静脉内皮细胞(HUVECs)。SEM显示BMSCs在支架内部生长状态良好,HVUECs在血管支架内表面伸展良好,接近融合。免疫荧光染色表明BMSCs成层状分布于支架内部,HVUECs则在内腔形成了完整的单层结构。这些结果表明,通过卷管与细胞种植相结合的方法能够在体外构建预先内皮化、BMSCs分布于支架内部且结构稳定的组织工程血管。  此外,一个理想的血管支架材料还应该具有合适的降解速率。材料降解过慢会影响血管组织的重构,而材料降解过快又不能在血管组织完成重构前起到良好的力学支撑作用。常用的两种血管支架材料是PCL和聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)。PCL降解过慢,而PLGA降解过快,且其降解产生酸性物质,易导致炎症的发生。微生物发酵合成的聚(3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸酯)[P(3/4HB)]材料,具有良好的生物相容性。同时,能够通过控制4HB的含量调节P(3/4HB)的柔韧性、可塑性、力学性能和生物降解性等。因此,以上述两种材料作为对照,系统的评估了三种不同类型的聚(3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸酯)[P(3/4HB)]的降解速率、细胞相容性和组织反应性,考察其作为血管支架材料的可行性。体外37℃和振荡条件下在PBS缓冲液降解和体内皮下埋植降解证实三种不同比例的P(3/4HB)共聚物的降解速率均介于PCL和PLGA之间,而且能够通过调节4HB的含量控制其降解速度。同时,皮下埋植实验表明三种P(3/4HB)共聚物的组织反应性均较温和。  本论文通过以上三个方面的研究得出如下结论:(1)电喷PEO微球能够显著增加电纺支架的孔径,促进细胞迁移,同时,它也是一种简单、有效、可控的提高人工血管支架孔径和孔隙率的方法;(2)卵磷脂复合材料、静电纺丝膜、细胞种植和卷管等技术的联合使用可以成功制备出预先内皮化,细胞分布均匀且结构稳定组织工程血管,为组织工程血管的构建提供了新的策略。(3)三种P(3/4HB)共聚物均具有作为血管支架材料所需的生物可降解性,且组织反应性温和,有进一步研究的价值。
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