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蘇大李剛教授、牛津大學(xué)Kaili Chen博士合作 JMST:人工血管研究進(jìn)展
2025-01-05  來源:高分子科技

  心血管疾病(CVD)是人類死亡的主要原因,約占每年死亡總數(shù)的1/3。當(dāng)存在缺血性心臟病、外周動脈疾病等心臟血管疾病時,機(jī)體血管供血困難,需要對受損血管進(jìn)行修復(fù)、置換或搭橋等手術(shù)干預(yù)。來源于患者的自體移植物,如:隱靜脈、乳腺內(nèi)動脈和橈動脈,因其免疫排斥風(fēng)險低、通暢率高而被認(rèn)為是血管移植物的金標(biāo)準(zhǔn)。然而,自體移植物存在局限性,包括繼發(fā)性創(chuàng)傷、疼痛、感染和供體部位愈合緩慢,這些問題阻礙了它們的廣泛臨床應(yīng)用。因此,開發(fā)能夠模仿天然血管功能的人工血管,恢復(fù)血管周圍的血流或替代受損血管等策略,具有重要的臨床意義。


  20241012日,州大學(xué)現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室李剛教授、牛津大學(xué)陳凱麗博士合作在國際學(xué)術(shù)期刊《Journal of Materials Science & Technology》上發(fā)表題為Advances in artificial blood vessels: Exploring materials, preparation, and functionality”綜述文章(DOI: 10.1016/j.jmst.2024.09.029)。蘇州大學(xué)碩士研究生王鋒為第一作者,蘇州大學(xué)李剛教授和帝國理工大學(xué)博士/牛津大學(xué)博士后研究員Kaili Chen為共同通訊作者,合作作者還包括梁夢迪、張蓓、李威強(qiáng)以及蘇州大學(xué)附屬第四醫(yī)院張喜成主任和黃獻(xiàn)琛主任。該工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項目、國家重點研發(fā)計劃、科技部國際合作和江蘇省科技廳國際合作等項目的支持。


  該綜述詳細(xì)探討了人工血管領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展,涵蓋了材料選擇、制備技術(shù)、性能要求以及功能化策略等關(guān)鍵內(nèi)容(圖1)。文章深入分析了合成與天然材料的發(fā)展趨勢,剖析了從傳統(tǒng)紡織工藝到靜電紡和3D打印等前沿制造技術(shù)的優(yōu)缺點,并總結(jié)了在生物相容性、抗感染性及力學(xué)性能方面的挑戰(zhàn)和解決方案。提出了目前血管功能化的主要策略,包括構(gòu)建親水涂層、抗凝藥物的固定、促進(jìn)內(nèi)皮化和催化一氧化氮(NO)釋放,以應(yīng)對植入后面臨的重大挑戰(zhàn)。最后,文章展望了人工血管未來的應(yīng)用前景和研發(fā)方向,旨在推動其在心血管治療中的轉(zhuǎn)化和臨床應(yīng)用。


圖1 人工血管制備過程中的材料技術(shù)選擇、性能要求以及功能化策略


  人體血管在體內(nèi)承受著各種復(fù)雜的生物力學(xué),包括血流壓力、脈壓和周圍組織施加的力,人工血管必須能夠承受這些復(fù)雜的生物力學(xué),以避免破裂或彎折(圖2)。評估人工血管力學(xué)性能的指標(biāo)包括抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、破裂強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和縫合固位強(qiáng)度。其中抗拉強(qiáng)度是衡量人工血管在受到拉力作用時的抵抗能力,保證其在拉力作用下的結(jié)構(gòu)完整性。此外,疲勞強(qiáng)度也至關(guān)重要,評估人工血管在多次循環(huán)加載后的穩(wěn)定性,這對于需長期承受體內(nèi)生理壓力的人工血管尤為重要。順應(yīng)性在血管領(lǐng)域也十分關(guān)鍵,它衡量了人工血管在脈動壓力下沿周向彈性擴(kuò)張和收縮的能力。然而,人工血管和自體血管的順應(yīng)性往往存在差異,會引起吻合處的血流紊亂,導(dǎo)致血小板黏附、聚集進(jìn)而形成血栓,影響血管的長期通暢性。


2 (A) 作用于血管的生物力學(xué):(a) 生理參數(shù),(b) 生理力,(c) 應(yīng)力,(d) 關(guān)系;(B) 用于不同血管移植物力學(xué)測試的夾具:(a) 縱向拉伸強(qiáng)度,(b) 徑向拉伸強(qiáng)度,(c) 爆破強(qiáng)度,(d) 縫合保持強(qiáng)度,(e) 壓縮與恢復(fù)性能,(f) 扭轉(zhuǎn)性能;(C) 在拉伸力學(xué)測試中使用的樣品形狀:(a) 矩形,(b) 狗骨形,(c) 環(huán)形;(D) 天然血管與人工血管的結(jié)構(gòu)及其對應(yīng)的徑向順應(yīng)性不匹配;(E) 順應(yīng)性對遠(yuǎn)端吻合部流動模式和壁面剪切應(yīng)力的影響。


  NO是維持體內(nèi)血管通暢和穩(wěn)態(tài)的重要氣體轉(zhuǎn)運和信號分子,在心血管系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。它在生理過程中具有多種作用,包括抑制血小板聚集及其對血管壁的粘附,抑制平滑肌細(xì)胞過度增殖,抑制白細(xì)胞活化,這些作用有助于加速血管內(nèi)皮化和防止再狹窄,同時調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)。此外,人體內(nèi)還存在多種內(nèi)源性NO供體,如S-亞硝基硫醇(RSNO)、S-亞硝基谷胱甘肽(GSNO)、S-亞硝基白蛋白、S-亞硝基半胱氨酸(CysNO)等,這些供體催化劑如硒、酶或銅可催化生成NO。目前的研究主要集中在聚合物基質(zhì)中嵌入催化劑或在血管表面固定催化位點,這些方法旨在利用體內(nèi)存在的內(nèi)源性NO供體催化NO的產(chǎn)生(圖3)。


圖3 NO在調(diào)節(jié)內(nèi)皮化和血栓形成中發(fā)揮關(guān)鍵作用:(A) NO能夠催化NO供體的釋放,并在血管生成中發(fā)揮作用;(B-C) NO可顯著促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的生長以及抑制平滑肌細(xì)胞的過度增殖


  隨著人口老齡化的加劇,心血管疾病的治療需求日益迫切,人工血管已成為現(xiàn)代醫(yī)療的重要組成部分。它們不僅可以替代受損動脈,恢復(fù)血液循環(huán),還能有效預(yù)防嚴(yán)重并發(fā)癥的發(fā)生。因此,探索最佳材料和制造技術(shù)成為再生醫(yī)學(xué)的研究重點。盡管天然材料在生物相容性上表現(xiàn)出色,但在生物力學(xué)強(qiáng)度和長期移植適應(yīng)性方面仍有不足,而合成材料則面臨血栓形成和內(nèi)膜增生等挑戰(zhàn)。生物可降解材料因其優(yōu)異的細(xì)胞粘附能力和生物活性,具有潛在的應(yīng)用前景。然而,臨床轉(zhuǎn)化依然面臨降解性能不確定和力學(xué)性能限制的難題。此外,通過表面功能修飾和生物活性材料的雜化,可以進(jìn)一步提高人工血管的生物相容性。盡管已有不少進(jìn)展,但在預(yù)防血栓、促進(jìn)內(nèi)皮化以及抑制再狹窄等關(guān)鍵問題上,仍需要更多創(chuàng)新解決方案。隨著生物材料科學(xué)、組織工程和表面改性技術(shù)的不斷發(fā)展,未來人工血管將更加地滿足人體治療需求,兼具優(yōu)異的生物相容性和長期穩(wěn)定性,為心血管疾病患者帶來新的希望。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.09.029


文章第一/通訊作者簡介:


  王鋒:蘇州大學(xué)碩士研究生,研究方向是絲蛋白生物材料和人工血管材料的研究。


  Kaili Chen,英國帝國理工大學(xué)博士,牛津大學(xué)博士后,研究方向涵蓋基于納米材料的生物傳感器用于早期疾病診斷、纖維基生物醫(yī)用材料以及柔性可穿戴傳感器在未來大健康領(lǐng)域的應(yīng)用。


  李剛,蘇州大學(xué)教授、博導(dǎo),江蘇省第十五批“六大人才高峰”高層次人才、江蘇省僑聯(lián)青年委員會委員、香港理工大學(xué)江蘇校友會副會長。香港理工大學(xué)博士、美國塔夫茨大學(xué)訪問學(xué)者(導(dǎo)師:美國工程院David Kaplan院士)。長期在絲蛋白生物材料、醫(yī)用和智能紡織材料等交叉領(lǐng)域展開研究。在Advanced Functional MaterialsBiomaterials等期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文150余篇,已授權(quán)國內(nèi)外專利50余件。主持國家重點研發(fā)計劃課題、國家自然科學(xué)基金面上項目等項目30余項,曾獲中國商業(yè)聯(lián)合會科技進(jìn)步獎、香港首屆創(chuàng)新大賽冠軍、江蘇省十大行業(yè)優(yōu)秀成果獎等榮譽(yù)。主要學(xué)術(shù)兼職為中國生物材料學(xué)會智能仿生材料分會委員、中國科協(xié)培訓(xùn)和人才服務(wù)中心、國家藥監(jiān)局器審中心、國家自然科學(xué)基金和“霍英東”科教獎函評專家(https://web.suda.edu.cn/tcligang)。
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