・前沿与进展・Front
andAdvance・
V01.12No.9
中国现代
普通外科进展
Chin
JCurr
AdvGen
Surg
2009
j}:9月第12卷第9期5ep.2009
血管组织工程中支架材料的应用与进展
李春民’汪忠镐2
-首都医科大学附属复兴医院血管外科(北京z首都医科大学宣武医院血管外科(北京
100038)
100053)
t摘要】血管组织支架是血管组织工程研究的重点内容。铺备支架的材料包括天然材料稻人工合成材{|8f霉天然材料翼有良好的细胞和组织相容性,人工合成的聚合物支架在结构形状、机械强度及规模化生产方面均具有很大的优势,但二者均有很多问题要克服。近年来,该领域有了很大发展,出现了杂交支架、纳
米材料支架等新型支架。就血管支架材料的研究进展进行综述。
镄
£关键词】组织工程・生物相容性材料・血管支架
【中图分类号】R318l文献标识码】A
髫
’盏
霪
0
、文鼍獭号、1009—9905(2009)09—0788娟.|…?灏如菇L如Ai套蕊垴晶.j毳蕊‰‰i玻‰。舭。溅媳?薅弧锄“滋
。20世纪80年代。随着相关学科的发展,出现了组织工程血管(tissue—engineered
vascu|argrafts.
,l
乳酸、聚乙醇酸、乳酸一乙醇酸共聚物、聚乙交酯、聚8一己内酯、聚氨酯、左旋聚乳酸等。2天然材料支架
天然材料被用于组织工程血管主要是由于其具有和细胞相互影响的优势。不利的因素是天然材料的机械强度比较差【5】。目前常用的天然材料包括胶原、纤维蛋白、明胶等。
2.1胶原1986年.Weinberg等㈣用动物的胶原凝胶种植内皮细胞、平滑肌细胞和成纤维细胞,试图构建生物血管。这是关于天然材料构建组织T程血管的最早尝试。胶原是最常用的一种天然材料,能够形成高强度原纤维.具有特殊的螺旋状结构,能有效促进纤维细胞迁移.防止凝血的发生。胶原具有较高的强度。而且适于种植内皮细胞,被广泛用于组织工程血管支架研究,由小肠黏膜下层获得的胶原已在体外成功用于血管支架的制作m]。但胶原本身存在容易导致血栓形成、内在机械力非常低等不利因素,影响了其应用。Berglund等…研究表明弹力蛋白能够使胶原支架更坚固,能提高胶原黏性。
TEVG)。即利用工程学和生命科学原理构建的生物血管u1。主要包括血管种子细胞和支架。血管组织支架是活细胞在体外生长所需的支持物.提供一个供细胞生长的三维空间,便于细胞黏着、生长和新陈代谢。就血管组织工程中支架材料近年的进展进行综述。
1支架材料概述
支架材料除了应具有良好的生物相容性、血液相容性、组织稳定性、无免疫原性和一定的可塑性、抗张强度和弹性[2-3]。还应有适合细胞迁移和增殖的多孔结构、与细胞长入和基质分泌相当的生物降解速度、有利于细胞贴附和增殖的表面化学特性【4】。
制备支架的材料包括天然材料和人工合成材料。天然材料是自然界中存在的大分子物质,包括胶原、层黏连蛋白、纤维结合蛋白、基质胶、透明质酸、纤维蛋白、壳聚糖、脱细胞基质等:人工合成材料多为高分子可降解材料,目前种类繁多,包括聚
f基金项目】国家高技术研究发展计划基金资助项目(2006AA02A134)【作者简介】李春民(1971-02~),男,山东菏泽人,博士。研究方向:血管外科。
Tel:(010)88062928
E—mail:Icmbs@126.com
万方数据
李春民,;下鬯镐.ff『I管组织T程中支架材料的宦用与进展
增加胶原对机械力的顺应性。但由于弹力蛋白的低溶性,很难将其掺入组织工程支架中。目前许多关于胶原支架的研究集中在胶原支架与血管细胞如何构建.而未来更重要的是如何提高胶原支架的力学强度,使其在生物体内能够长时间耐受IlIL流的冲击。2.2纤维蛋白
另一种主要的天然细胞支架材料
是纤维蛋白[10-11]。纤维蛋白凝胶是自然产生的、具有降解特性的基质,与凝血过程的终末产物相似。其纤维结构与生理的凝眦块类似。基于纤维蛋白制成的支架,不但具有理想的生物相容性、生物降解性和较高的亲和性,而且能促进血管牛成、组织修复。Bensaid等【12】认为.纤维蛋白本身具有和细胞黏附的位点,具有较好的细胞种植及基质产生效果。事先由患者m液获得纤维蛋白制成支架。同时种植自体来源的细胞,可以避免异物植入的排斥反应。Trentin等[131对纤维蛋白进行基因修饰,使其具有更好的机械和生理功能,并且能够释放出生长因子。Ye等u41把纤维蛋白凝胶作为可降解三维支架进行组织工程血管研究发现,细胞在支架上生长情况良好.细胞产生的胶原组织在支架材料上不断沉积。同时无毒性降解产物和炎性反应发生。Isenburg等¨51发现纤维素凝胶基质内面能够在血流动力剪切力的作用下很好地贴附内皮细胞。
2.3明胶
明胶是胶原的部分变性衍生物.无抗原
性,生物相容性好,可完全生物降解。与胶原相似,机械强度较低,现在大多作为制备复合支架的材料。构建的组织工程血管最终成功应用于生物体内的最重要指标是:能否解决支架腔内或壁内细胞的营养及氧气供给问题。即能否实现支架自身的“血管化”。Frerich等【161以明胶作为血管支架,在搏动性力作用下,进行内皮细胞种植。16d后发现,不但内皮细胞贴附良好。而且支架内出现了许多相互连通的“毛细血管”样网络结构,在某种程度上实现了支架自身的“血管化”。3人工合成材料支架
人工合成聚合物支架最主要的优势在于它具有精确的可操作性,包括分子量、形状、孔隙率、微细结构、弹力强度和降解时间等m]。最显著的缺点是缺乏生物信号而不易被细胞识别。
合成材料支架应具有生物相容性.适于细胞贴附和基质沉积。同时还应具有传递弹性的作用.以适应血管在体内的功能。在设计时.支架的结构参数如孔隙大小、孔隙率、表面积(包括表面体积比)均应考虑到[173。其他结构特征参数如孑L隙形状、孔壁的形态学、孔之间的连通管等,在细胞的种植、迁
万方数据
移、生长、基因表达和在3D环境中新组织的形成方面均有重要作用。材料支架具有90%孔隙率和孔径为100~300斗m就能够提供好的生物相容性。为了能大体模拟自然血管,一些支架在设计时添加了沟…
槽、微通道及特定朝向的孔隙以引导细胞生长和迁移。支架的微通道和细胞培养的环境促进营养物质的转入和细胞代谢废物的转出。现在已有用数值模拟建立的有特殊微管和营养转运的网状结构。通过灌注法获取血管网络及形态。利用计算机技术进行处理,可以得出所需血管的精确3D图形。
随着技术的发展,材料孔隙的连接性、孔隙间连通管、孔隙融合问题得以解决.更适于细胞生长的支架不断被开发出来¨8|。另外,更精确的由计算机控制的制作方法能够提供多孔隙的支架it9]。4杂交支架
杂交支架是利用自然材料和合成材料复合制成的支架120J,结合了人工合成材料容易制作、结构容易控制、机械强度良好和生物材料(如胶原等)易与细胞反应、亲水性良好的优点,满足了体外构建组织工程支架的需要。细胞能够顺利种植。按照同一质量标准重复生产,可控制结构和化学成分。杂交支架构建标准如下f2l也1:1)支架表面可促进细胞黏附、加快细胞生长、保持细胞分化的表型。2)具有生物相容性,体内产物无毒、无易致感染性。3)生物可降解性,最后可以从体内排出。4)高孔隙率,可以提供足够的空间供细胞黏附.因为细胞培养过程中有细胞外基质再生和大量的沿支架弥散。5)孔隙结构能够使细胞沿支架立体分布、容易使同种组织形成。6)能够可蕈复地制成3D结构,耐受强机械力。5纳米材料支架
纳米技术为开展组织T程技术提供了全新的平台.这是一个发展迅速的领域。能够在许多方面克服现有其他方法无法解决的难题。纳米技术研究结构尺寸在0.1~100nlrl范围内材料的性质和应朋.组织工程血管支架可以由纳米材料或经过纳米技术处理的天然材料制成∞]。可利用相分离、电纺丝、结构蛋白多肽的自组装等技术构建纳米血管支架,目前应
用较多,发展较迅速的是电纺丝技术‘~]。
纳米技术在血管组织工程中的应用主要是能够建立一个适于细胞定向分化和组织增殖的细胞外微环境,在这个环境中,纳米支架能够町控地使血管细胞的表型得以表达,同时使细胞表达自身的生物学功能俐。利用纳米技术提高组织下程血管腔面的抗血栓功能已取得了令人瞩目的成绩,目前基于纳米技术建立的抗血栓的管腔面有3种方式【刀_勰]:1)在
支架腔面固化一些具有抗栓功能的分子。从而创立一个非细胞性的纳米抗血栓表层;2)固化一些分
子,使腔面的内皮化得到明显提高,从而实现抗凝的目的;3)应用磁珠标记的内皮细胞,以提高管腔的内皮化。然而如何在体内保持长期的抗血拴功能仍旧是一个挑战。6结语
由于临床对人工血管的需求量越来越大。人们对其研究和相关的投入也在不断加大。随着相关学科的发展,目前困扰支架材料的难题将会被不断解决。不久的将来,具有完全人体生理功能的组织工程血管必将获得成功。
参考文献
【l】Langer吃VacantiJP.Tissueengineering【JJ.Science,1993,260
(5110):920—926.
【2】Sreerekha
P凡KrishnanⅨCultivation
ofEndothelial
Progenitor
Cells
on
Fibrin
Matrix
and
Layering
on
Dacron/Polytetrafluoroethy-
lene
Vascular
Cn缸Ⅲ.ArtifOmans,2006,30(4):242-249.
SE,BerryC1.Improving
mctIlar
g陋如:the
importance
ofmechanicalandhaemodynamicpropertiesIJl.JPathol,2000,190
(3):2912—299.
DW.Scaffolddesignandfabricationtechnologiesfor∞-
gineering
tissues-stateofthe
art
andfuture
perspectives【J】.J
Bin-
mater
SciPolymEd,2001,12(1):107—124.
BC,WilliamsC,TranquilloRT.Small-diameterartificial
al-t(Ties
engineered
in
vitro阴.CireRes,2006,98(1):25—35.
CB,BellE.Abloodvesselmodelconstructed
from
collagen
andculturedvascularcells阴.Science,1986,231(4736):397-400.Yavuz
KGeylk
S,Pavcnik
D'eta1.Comparisonoftheendothelial-
izationofsmaIlintestinal
submueosa,dacron。andexpandedpoise-
trafluoroethylene
suspendedin
the
thomcoabdomihal
aortain
sheep
IJl.J
VaseInterv
Radiol,2006,17(5):873-882.
MT,RoweRC,Ren
Z,et
a1.Developmentof
a
reinforced
porcineelastincomposite
va¥cular
scaffold【J】.JBiomed
MaterRes
A,2006,77(3):458—469
JD,NeremRM,Sambanis
A.Incorporation
ofintactelastin
scaffolds
in
tissue-engineeredcollagen-based
vascular
grafts明.Ti8-
sue
Eng,2004.10(9-10):1526-1535.
Long
JL,Tranquillo
RT.Elastic肪盱production
incardiovascular
tissue-equivalentslJ].MatrixBiol。2003,22(4):339—350.BC,Williams
C,Tranquillo
RT.Endothelializationand
flow
conditioningoffibrin—baBedmedia-equivalents叨.Ann
Biomed
Eng,2006.34(6):971-985.
W,%mttJT,Blanehat
C,et
a1.A
biodegradable
fibrin
scaffoldformesenchymalstem
cell
transplantation[J].Biomaterials,2003,24(14):2497_2502.
H,Wechsler
S,et
a1.Peptide—matrix—mediated
万方数据
中同现代普通外科进展2009年9月第12卷第9期
genetransferofan
oxygen-insensitive
hypoxia-induciblefactor-
lalpha
variantfor
localinductionof
angiogenesis【J】.ProcNadA-
cad
SciUSA,2006,103(8):2506-2511.
【14】YeQ,ZandG,BenediktP'eta1.Fibringel∞athreedimensional
matrix
incardiovasculartissue
engineering【J】.EurJCardiothorac
Surg,2000.17(5):587-591.
【15】IsenburgJC,SimionesenDT,VyavahareNR.Elastinstabilization
in
cardiovascular
implants:improved
resistance
to
aI巧m丑tic
degradationby
treatment
with
taltnic
acid明.Biomaterials,
2004,25(16):3293—3302.
【16]FrerichB,ZIlckmatell('HemprichA.Microvascularengineering
in
perfusion
culture:immunohislochemistryandClamfindings叨.
HeadFace
Med,2006,2:26.
[17】RatcliffeA.Tissueengineeringof伯目llargrafts闭.MarxBiol,
2000.19(4):353—357.
【18】Cassema唔ir蒯gruff:theulstinn
OC,HoferSO,MorrisonWA,etaLVsscularisationof
tissue—
of
angiogenesisinreconstructlve
mngery
anddiseasestateslJl.BritJHastSurg_2002,55(8).'603--610.
【19]ShenJY,Chan-Park
MB,Feng
ZQ,eta1.uv-embossed
mi-
erochannel
in
biocompatible
polymericfilm:application
to
control
ofcellshapeand
orientation
ofmuscle
cells【J】.JBiomed
Mater
ResB
Appl
Biomater,2006,77(2):423-430.
[20iMaz。HeW,YongT,et81.Graftingofgelatinondectrospunpob
(capmlactone)nanofibersto
improveendothel/aleel/spreading
andproliferationand
to
control
eel/orientation明.TissueEng,
2005,11(7-8):1149一1158.
【2l】ChenG,UshidaT’TateishiT.Scaffolddesignfor
tissue
engineer-
ing【J】.MacremolBiosci,2002,2(2):67—77.
f22]ElcinAE,Elcinendothelial刚factoractivatod
YM.Localizedangiagcnesisinducedbyhuman
vascular
PLGA
sponge明.Tissue
Eng,2006,12(4):959-968.
[23】SabakPollockJF,SchafferDV,eta1.Designingsyntheticmateri-
als
to
controlstem
cell
phenotype叨.CurtOpin
Chem
Biol,
2007.1l(4):381-387.
[24】WilliamsonMR,CoombesAG.Gravityspinningofpolycaprolactone
fibres
for
2004,25(3):459堋.
applications
intissue
engineering【J】.Biomal嘲-ials,
【25】WilliamsonM心AdamsEF,C∞mbesAG.Gravityspunpolycapro-
lactonefibresforsoft
tissue
engineering
interactionwithfibmb-
lasts
andmyoblasts
in
cellculture
m.Biomaterials,2006'27(7):
1019-1026.
【26】JordanSW,ChaikofEL.Novel
thro梳sistant
materials[J1.J
Vase
Surg,2007,45(SupplA):104一115.
【27】RotmansJI,HeyligersJM
HI,et
a1.Invivocen
seeding
with
anti-CD34antibodies
m”Ⅸ熔蛐accelerates
Verhagen
endothelialization
butstimulates
intimalhyperplasiain
porcinearteriovenous
expanded
polytetrafluoroethyleneg咖b闭.Circulation,2005,l12(1):12-18.[281
BarnesCP,Sell
SA,Boland
ED,et
a1.Nanofibertechnology:de-
signingthe
ne“A,t
generation
oftissue
engineeringscaffolds阴.Adv
Drug
DelivRev,2007.59(14):1413-1433.
(收槁日期:2009-07—16)
(本文编辑:陈敏)
…”磁
790
、、{戡
p】Greenwald【4】Hutmacher【5】Iscnberg【6】Weinberg【71
【8】Hinds【9】Berglund[i0J
【ll】Iscnbergf12】Bensaid【13】Trentin,D。Hall