一、研究背景

合成血管在臨床上用于心血管疾病或血液透析的血管橋接，根據(jù)血管狀況，自體血管是一種選擇。然而，由于從大直徑（≥6mm）到小直徑（< 6mm）血管的移植物供應(yīng)不足，人工血管移植比自體血管移植更常用。然而，血管移植存在一些缺陷，包括內(nèi)膜快速增生、狹窄閉塞、動(dòng)脈瘤形成和血栓形成，這些缺陷通常源于維持移植物管狀結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)，導(dǎo)致血液循環(huán)受損。這些情況在血管移植手術(shù)后會(huì)造成嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)，促使大量的研究來解決這些問題。上述問題往往與機(jī)械性能不足有關(guān)，如機(jī)械強(qiáng)度和抗扭結(jié)能力。Zhi等人開發(fā)了一種預(yù)先填充自體細(xì)胞的機(jī)械強(qiáng)化生物管。通暢性好，無副作用，血管再生效果好。同樣，Tillman等人證明了具有結(jié)構(gòu)完整性的生物工程血管移植物可以承受血流動(dòng)力學(xué)，并且在機(jī)械刺激環(huán)境中耐用。提高人工血管移植物的力學(xué)性能是促進(jìn)組織再生的關(guān)鍵。

利用靜電紡絲設(shè)備紡絲是一種用于組織工程的制備仿生纖維支架的通用技術(shù)。許多研究探索了新的制造方法和先進(jìn)纖維結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。靜電紡絲纖維模擬細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）結(jié)構(gòu)，為細(xì)胞提供與天然組織相似的環(huán)境。此外，這項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)生了一個(gè)3D網(wǎng)絡(luò)，支持細(xì)胞粘附和細(xì)胞間通信。它還可以通過控制先進(jìn)纖維支架的力學(xué)特性來促進(jìn)其增殖、引導(dǎo)細(xì)胞方向和分化。

特別是組織工程的解剖結(jié)構(gòu)和微納米特征引起了組織工程研究的極大興趣。(8)纖維支架的仿生結(jié)構(gòu)在細(xì)胞行為和物理性能方面具有很好的應(yīng)用前景。微纖維可以產(chǎn)生大孔徑，增強(qiáng)細(xì)胞的浸潤和附著。 Cho等人對ES收集器進(jìn)行了修飾，形成了3D捆綁纖維支架，促進(jìn)細(xì)胞浸潤和增殖。納米纖維促進(jìn)細(xì)胞粘附，為細(xì)胞和支架提供機(jī)械穩(wěn)定性。Kim的研究小組通過改進(jìn)的ES裝置開發(fā)了具有排列和隨機(jī)定向納米纖維的神經(jīng)導(dǎo)管。用纖維排列設(shè)計(jì)支架，引導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞遷移和增殖方向。因此，仿生支架設(shè)計(jì)的發(fā)展仍然是組織工程中一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)。

在這項(xiàng)研究中，利用改進(jìn)的ES設(shè)置來開發(fā)具有排列和隨機(jī)取向的多尺度纖維的超柔性FTS。為了制備血管移植物，選擇了fda批準(zhǔn)的聚己內(nèi)酯（PCL）和絲素蛋白，因?yàn)樗鼈兙哂辛己玫牧W(xué)性能和生物相容性。新FTS的地形特征是通過使用一個(gè)改進(jìn)的集電極來設(shè)計(jì)的，該集電極允許排列和隨機(jī)取向的光纖交叉。通過涂覆改性集電極，可使FTS的內(nèi)表面光滑。多尺度纖維的形成與加工過程中的濕度和溫度有關(guān)，這是提高纖維力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。在高濕條件下制備的PCL/絲綢纖維管狀支架（PSFTS-HH）在保持其形狀和抗扭結(jié)方面表現(xiàn)出優(yōu)于在低濕條件下制備的PCL/絲綢纖維管狀支架（PSFTS-LH）的性能。此外，我們觀察到設(shè)計(jì)的血管移植物的機(jī)械性能在體內(nèi)結(jié)果上有顯著改善。

二、摘要

纖維管支架（FTS）具有作為血管移植的潛力；但其力學(xué)性能不足，阻礙了其臨床應(yīng)用。血管移植物的機(jī)械性能不足會(huì)導(dǎo)致一些嚴(yán)重的副作用，如內(nèi)膜增生、管腔擴(kuò)張和血栓形成。在這項(xiàng)研究中，我們開發(fā)了一種由多尺度纖維組成的新型纖維管支架，以確保優(yōu)越的機(jī)械性能。我們的新方法涉及一步制造方法，可以通過改進(jìn)的靜電紡絲裝置制造具有地形特征的超柔性纖維管支架（SF-FTS）。研究了制備過程中濕度和溫度對多尺度纖維形成的影響。結(jié)果表明，多尺度纖維和地形特征的加入顯著提高了FTS的力學(xué)性能。通過抗扭結(jié)試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了SF-FTS的力學(xué)優(yōu)勢。此外，我們還探討了多尺度纖維與人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）行為之間的相互作用。我們的研究結(jié)果提出了一種制造具有先進(jìn)機(jī)械性能的FTS的新策略，并且設(shè)計(jì)的SF-FTS有望成為臨床應(yīng)用的潛在候選材料。

三、結(jié)論

本研究報(bào)告了在可控環(huán)境下利用改良的靜電紡絲裝置制備超柔性PCL/silk纖維管狀支架的方法。我們成功開發(fā)了具有多尺度纖維的PSFTS-HH，具有優(yōu)異的機(jī)械性能。我們發(fā)現(xiàn)多尺度纖維可以在特定的環(huán)境中制造，并且它們也具有地形特征。PSFTS-HH中多尺度纖維的存在提供了極好的靈活性和形狀穩(wěn)定性。這些突出的特征在體內(nèi)的分化結(jié)果中得到了證明。植入后，PSFTS-HH完全維持了管狀結(jié)構(gòu)，比PSFTS-LH更有效地促進(jìn)了組織再生。PSFTS-HH被認(rèn)為是克服血管移植物在臨床應(yīng)用中的機(jī)械局限性的合適人選。此外，PSFTS-HH的地形線索誘導(dǎo)細(xì)胞伸長和排列以及結(jié)構(gòu)效應(yīng)。這一新發(fā)現(xiàn)為制造具有超柔韌性和促進(jìn)組織再生的先進(jìn)纖維管支架提供了一種先進(jìn)的靜電紡絲方法，為血管移植提供了一種實(shí)用的解決方案。

圖1.(a)帶有改良集電極的靜電紡絲裝置示意圖。(b)通過照片、SEM圖像以及PSFTS-HH、PSFTS-LH和PSFTS-HHs的插圖對樣品進(jìn)行形貌和特征比較。(c) PSFTS-HH和PSFTS-LH的照片、原理圖和SEM圖像，以顯示區(qū)分字符。(d)纖維疵點(diǎn)圖像取決于是否采用LDPE薄膜工藝。（比例尺= 1mm） (e)線圈間距優(yōu)化；掃描電鏡圖像和照片。（紅星表示線圈位置，比例尺= 200 μm）。

圖2.利用繞線線圈集熱器形成具有定向和電場的微/納米纖維。(a)繞線線圈集熱器示意圖。（a1）具有地形線索的微尺寸纖維的掃描電鏡和假彩色圖像。（a2）納米纖維的SEM和偽彩色圖像。偽彩色圖像是基于掃描電鏡圖像。(b)繞線線圈集熱器的電場分布模擬。（c, d）電場強(qiáng)度隨與線圈集電極距離的變化。(e)靜電紡絲過程中的電場線。(f)帶有電場線的線圈集熱器上的放大圖像。

圖3.(a) PSFTS-HH和PSFTS-LH的內(nèi)外側(cè)SEM圖像和(b)纖維直徑分布圖。（c, d） psfs - hh上多尺度纖維形成示意圖。(e) PSFTS-HH的SEM橫截面圖像。(f)顯示線圈之間的掃描電鏡圖像。掃描電鏡圖像顯示(g)沉積在纏繞線圈上的微尺寸纖維和(h)沉積在線圈之間的納米/納米纖維。