一、研究背景

每年有 1 700 萬人死于心血管疾病，而動脈硬化是導(dǎo)致這種疾病的主要原因之一。藥物和手術(shù)是目前治療無癥狀動脈血栓患者的方法。然而，由于患者的健康狀況或以往的血管移植手術(shù)史，自體血管的供應(yīng)有限或不足。不可降解的人工血管植入物通常用于外科干預(yù)。然而，組織炎癥和纖維化會導(dǎo)致植入物在患者體內(nèi) 10 年的存活率降低。為了克服與使用不可降解植入物相關(guān)的局限性和替代血管植入物的稀缺性，組織工程學(xué)開發(fā)了可降解血管支架，可替代自體血管。雖然大直徑合成血管支架已顯示出良好的臨床效果，但小直徑（小于 6 毫米）支架的臨床應(yīng)用仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

電紡絲技術(shù)被廣泛用于生產(chǎn)模仿細胞外基質(zhì)（ECM）的纖維支架。這些生物工程支架與天然組織的形態(tài)非常相似，有利于細胞增殖。然而，利用這種技術(shù)制造三維仿生結(jié)構(gòu)仍是一項持續(xù)的挑戰(zhàn)。對于血管來說，它們是帶狀結(jié)構(gòu)。動脈壁由三層組成，即內(nèi)膜、中膜和外膜。內(nèi)膜直接與血液相互作用，起著抗血栓屏障的作用，其特點是 ECM 成分的隨機排列。中膜由平滑肌細胞（SMC）組成，ECM 呈平行排列。血管外壁由成纖維細胞組成，ECM 呈隨機排列。在本試驗中，每層生物支架的纖維排列和功能都是根據(jù)血管組織的特點設(shè)計和制備的。

傳統(tǒng)的靜電紡絲生產(chǎn)設(shè)備采用高速旋轉(zhuǎn)的桿來收集排列整齊的纖維，但由于電極之間的距離較長，因此在控制纖維排列整齊方面面臨挑戰(zhàn)。纖維的形成受電氣和非電氣參數(shù)的影響。與扁平纖維氈的制造相比，小直徑管狀支架的制造需要更高的旋轉(zhuǎn)速度，這往往會導(dǎo)致纖維分布不均勻，外圍區(qū)域比中間區(qū)域薄。相比之下，濕電紡技術(shù)允許對纖維排列進行物理重排。這種方法通過增加液體體積來穩(wěn)定纖維收集，并利用液浴收集器加速纖維凝固，從而形成特定的纖維排列。我們認為，這種方法可以通過控制收集液的流速，以穩(wěn)定的方式獲得高多孔纖維支架。此外，這種技術(shù)還能高效、經(jīng)濟地在收集器上紡絲和排列纖維，從而形成有序、平行的纖維排列。

本實驗旨在制造一種模仿天然血管的小直徑三層血管支架。創(chuàng)新的制造方法和用于制造三層仿生支架的材料設(shè)計可在結(jié)構(gòu)上與天然血管組織相匹配。PCL 具有較高的機械性能和生物相容性，但缺乏細胞識別位點，在體內(nèi)會逐漸降解。為了解決這些問題，我們將 PCL 與明膠和肝素混合。明膠具有較高的生物降解性和生物相容性，而肝素則能靜電結(jié)合生長因子，促進局部血管生成和內(nèi)皮細胞增殖。為了滿足血管外層的機械要求，PCL 與 PLGA 結(jié)合使用。

該研究采用了一種創(chuàng)新方法，即結(jié)合電紡絲技術(shù)和濕法垂直磁棒電紡絲（WVMRE）來制造不同的層。通過將傳統(tǒng)的靜電紡絲生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)與這種創(chuàng)新方法相結(jié)合，制造出了仿生三層支架，以模擬血管組織的帶狀細胞外基質(zhì)。該技術(shù)中的滾筒收集器通過磁力攪拌來收集排列整齊的 PCL 纖維，以模擬血管中層，而內(nèi)層和外層的無序結(jié)構(gòu)則是通過 PCL/明膠/肝素和 PCL/PLGA 旋轉(zhuǎn)桿電紡絲技術(shù)制造的。最終，仿生三層血管支架與天然血管 ECM 結(jié)構(gòu)和機械特性相匹配。此外，這種支架還具有良好的潤濕性和生物相容性，可支持細胞增殖。這種仿生支架的每個纖維層都有一定的降解能力，從而降低了組織發(fā)炎的風(fēng)險。

二、摘要

組織工程學(xué)旨在開發(fā)仿生支架，作為自體血管移植物的替代品，因為自體血管移植物的可用性有限。本研究介紹了一種新型濕法電紡絲制造技術(shù)，用于制造小直徑、均勻排列的管狀支架。通過將這種創(chuàng)新方法與傳統(tǒng)的電紡絲技術(shù)相結(jié)合，生產(chǎn)出一種仿生三層支架，模擬血管組織的帶狀結(jié)構(gòu)。內(nèi)層和外層分別由 PCL/明膠纖維和 PCL/PLGA 纖維組成，中間層則是通過濕法垂直磁棒電紡絲（WVMRE）用 PCL 制作而成。使用掃描電子顯微鏡（SEM）分析了支架的形態(tài)，以確認其仿生結(jié)構(gòu)。此外，還對支架的機械性能、降解曲線、潤濕性和生物相容性進行了表征。為了增強血液相容性，支架與肝素進行了交聯(lián)。研究結(jié)果表明，支架具有足夠的機械性能、內(nèi)層具有良好的潤濕性、內(nèi)層和中層具有適當(dāng)?shù)慕到庑砸约翱傮w良好的生物相容性?？傊?，這項研究成功地開發(fā)出了符合所需規(guī)格的小直徑三層管狀支架。

三、 結(jié)論

為了探索小直徑仿生血管支架的創(chuàng)新手術(shù)方案，本研究采用旋轉(zhuǎn)棒電紡絲和濕法垂直磁棒電紡絲相結(jié)合的方法，成功研制出三層仿生血管支架。這種方法有助于形成與天然血管細胞外基質(zhì)極為相似的多孔纖維基質(zhì)，促進支架內(nèi)血管細胞的再生。

通過將這項新技術(shù)與旋轉(zhuǎn)桿電紡技術(shù)相結(jié)合，有效地制造出了三維空心管狀支架，其形態(tài)和細胞外基質(zhì)與天然血管極為相似。值得注意的是，這種支架具有保持血管功能的機械特性，同時還表現(xiàn)出可控降解特性，以減輕免疫反應(yīng)。

這項研究結(jié)果表明，通過這種技術(shù)生產(chǎn)的支架具有臨床應(yīng)用潛力。未來的研究應(yīng)側(cè)重于增強層間內(nèi)聚力，以提高支架的穩(wěn)定性，并進行后續(xù)的體內(nèi)評估。

總之，這些研究結(jié)果闡明了一系列利用該技術(shù)潛在應(yīng)用的臨床手術(shù)方案。

圖1.制造裝置。(A) 旋轉(zhuǎn)桿電紡技術(shù)： 針與平臺同步，驅(qū)動紡絲纖維穿過收集器。收集器在電機的幫助下旋轉(zhuǎn)，以隨機排列的方式收集纖維。(藍色箭頭表示設(shè)備的運動方向）（B）濕法垂直磁棒電紡絲技術(shù)（WVMRE）： 磁性收集器在磁性攪拌器的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)，收集漂浮在酒精表面的纖維。纖維以平行排列的方式收集在收集器上。(藍色箭頭表示設(shè)備的運動方向）。

 

圖2.三層支架的制作過程。(藍色箭頭表示裝置的移動方向；灰色箭頭表示實驗過程的順序）。