组织工程血管高分子生物支架研究进展

曹西迎(综述)，翁国星(审校)

(1.福建医科大学省立临床医学院心血管外科，福州350001;2.福建省立医院心血管外科，福州350001)

组织工程血管广泛用于心血管疾病的外科手术治疗。目前，冠状动脉粥样硬化性心脏病的发病率呈现出逐年上升的趋势［1］，仍以冠状动脉搭桥移植术作为主要治疗手段［2］。手术中主要用自体静脉和(或)动脉血管作为移植物。但有些患者由于没有适合移植的自体血管，导致血管移植管道来源受限［3］。而传统人工血管材料由于免疫排斥反应，血管壁吻合口增生，血栓形成等各种原因，导致远期通畅率降低，影响预期临床治疗效果。因此，具有血管再生潜能的组织工程血管高分子生物支架的出现颇有意义，它可替代自体血管用于血管移植手术。

1 血管组织工程的发展

1.1 组织工程 1984年冯元祯首次提出组织工程的概念。1987年由美国国家科学基金会正式提出和确定组织工程的概念，并指出组织工程可认为有两种领域:组织替代与组织再生。1988年，有研究指出，组织工程是涉及工程和生命科学的应用原则与方法，在正常组织和病理组织中建立结构功能关系，来重建、维持或提高组织功能［4］。1993年，Langer等［5］指出，组织工程具有产生随患者生长的免疫相容性的器官或组织替代物的潜能。因此，组织工程对组织的再生具有重大意义。

1.2 组织工程血管 人工血管的替代与重建通过血管组织工程学完成，即体外将正常的血管壁细胞分离、培养并种植于细胞外基质上，构建自体血管后植入体内，完成替代或修复。1998年L'Heureux 等［6］研究发现，人血管平滑肌细胞和维生素C共同培养后产生一片膜状结构，并制作出三维结构的可以自我更新的组织工程血管，可以减低感染的发生，降低机体免疫反应，有利于提高远期通畅率。虽然该人工血管还缺乏足够的动物实验及临床观察来判断其在体内的生物学行为。但这足以证实种植血管内皮细胞后的组织工程血管用于血管移植的可行性。

1.3 组织工程血管生物支架 临床上血管移植手术需要各种口径及具有良好远期通畅率的人工血管。人工血管移植术后，存在植入部位流体力学作用、病损环境的促凝作用、组织材料的构象和组分等影响远期通畅率的各种因素［7］。临床工作中发现人工血管移植物在移植后仍然存在血管再狭窄情况，面临血栓形成、血管阻塞的危险。尤其是小口径人工血管(直径 ＜6 mm)仍存在许多问题，面临挑战［8］。而内皮细胞的植入明显改善并减少血栓形成。为此，血管组织工程学重点在于制作组织工程血管生物支架，并将单层内皮细胞植入组织工程血管生物支架内壁。通过组织工程血管生物支架适合的结构及强度来达到临床功能:包括为细胞提供可以支撑的底物;具有暂时的机械性能为新组织细胞提供三维结构及支配新生组织功能性的发展。但是，种子细胞与组织工程血管生物支架材料之间的结合，往往得不到满意的结果，血管内皮细胞的黏附问题，组织相容性问题仍然得不到很好的解决。为此，人们从高分子材料选取、组织工程血管高分子生物支架的制作技术等不同角度提高组织工程血管高分子生物支架的组织相容性。

2 组织工程血管生物支架材料

选择具有良好组织相容性的组织工程血管生物支架材料，无疑是组织工程血管生物支架发展的基石。高分子材料具有较好的物理机械性能、分子结构更接近于生物体的分子结构，被广泛用作生物材料，并已在组织工程领域发挥着重要作用。目前，高分子生物材料已应用于骨科的骨组织的修补以及韧带的置换［9］，泌尿外科及肝胆外科的管道组织置换与修补，整形外科以及眼耳鼻喉科、神经科的组织修复［10］，是在组织工程中应用最广、研究最多，最具发展潜力的材料。

2.1 组织工程血管生物支架材料的条件 良好的组织工程血管生物支架材料应具有良好的组织相容性和血液相容性，与宿主健康血管相近似的动力学性能;能与所替代的血管愈合成一体，不易形成血栓，性能稳定，可塑性好，能选择不同的口径和长度［11］。还应具有力学强度好，微孔结构、材料降解时间可调控的优点，最后完全降解，避免异物反应所引起的不良反应。

2.2 组织工程血管生物支架材料分类

2.2.1 天然生物支架材料 主要有甲壳素、葡聚糖明胶、胶原蛋白、弹性蛋白、多聚氨基酸、多肽、透明质酸及其复合物等。多由正常组织细胞外的高分子合成，本身包含许多生物信息，能够提供细胞所需的信号。与细胞亲和性强，能为细胞的生长、增殖、分化及功能发挥提供近似体内的发生发育的细胞外基质支架条件，能使细胞聚集成组织，控制组织结构，调节细胞表型。植入体内时无或只有极低的免疫排斥反应，而且构建的组织工程血管具有良好的顺应性［8］。

2.2.2 去细胞生物源性生物支架材料 脱去细胞的动脉，含有细胞抗原的脂质体和可溶性黏多糖均被除去，而其结构蛋白(如胶原纤维和弹性纤维)排列有序，保存良好，结构蛋白的存在，可使脱细胞的移植物在植入体内之前被自体细胞重新植入。由于取出了细胞抗原，尤其是内皮细胞抗原，可以防止异体移植物引起的炎性反应和免疫反应。但是该种血管存在如何完全去除细胞和血管韧性等问题［5］。

2.2.3 可降解高分子生物支架材料 主要有聚乳酸及其共聚物、聚己内酯、聚羟基丁酸酯、膨体聚四氟乙烯和涤纶等。高分子生物材料具有良好的生物相容性，生物可降解性和可吸收性，而且其强度、降解速度、微结构和渗透性具有可控制性。但膨体聚四氟乙烯和涤纶生物机械性及细胞相容性限制其发展及应用。研究发现，聚乳酸作为一种可降解的具有良好生物相容性的高分子生物材料，可在体内降解生成糖的代谢产物乳酸，最终产物为二氧化碳和水，无毒害作用。并且有生物降解周期可调性、良好的加工性的优点。在硬骨支架、内固定器制作［12］、软骨、神经等组织修复中得到了广泛的临床应用［13］，不失为一种理想的组织工程血管生物支架材料。

3 组织工程血管高分子生物支架制作技术及结构改造

3.1 传统生物支架制作技术 添加致孔剂法、气体发泡法、粒子沥滤法、溶胶-凝胶法、有机泡沫浸渍法、冷冻干燥和溶液浇注/盐析法等工艺可以制备多样性的微观孔隙结构的支架，且孔隙率较高，但很难达到200 μm以下适合细胞营养物质交换的微孔结构［14］。自由形态固体支架制作通过层状制作工艺制作三维空间支架，利于氧气和营养物质进入支架内部。

3.2 纳米纤维生物膜制作技术 自组装技术、相分离法、静电纺丝法是用于制备纳米薄膜的技术。其中，自组装技术可以制作直径5～8 nm，长1 μm的纳米纤维，因制作程序复杂，受到限制。相分离法制作简单，但规模较小，只限于实验室研究制作。静电纺丝技术［15］能够连续、快速、简便地制备超细甚至纳米纤维。纳米纤维膜不仅具有微米甚至纳米级的孔洞，而且孔隙率非常高。该技术操作设备简单、形态和机械性能可控，并且可制作各种三维支架而得到发展。有研究联合相分离和静电纺丝技术，制作亚微米直径带有直径为100 nm孔洞的纤维支架［16］。对于各种制作适合细胞黏附增殖纤维的技术，人们的评价金标准不一。此外据研究，根据收集装置不同的静电纺丝技术制作的网格型纤维膜较无纺型纤维膜更有利于细胞黏附与细胞在纤维膜内的增殖。

3.3 组织工程血管高分子生物支架结构改造

3.3.1 表面改性 通过改善生物支架材料构造调节机体愈合反应，以及通过体外细胞培养后植入体内可提高生物支架材料的组织相容性。Zhu等［17］将明胶/顺丁烯二酸壳聚糖涂于聚乳酸材料外膜以加强其细胞黏附性。Quirk等［18］研究表明，在共聚物表面涂抹聚赖氨酸-五肽可明显提高牛血管内皮在共聚物上的黏附功能。Curtis等［19］研究纳米显微结构时表明，表面具有排列不规则的纳米孔径结构材料相对相同孔径但排列规则的纳米材料来说，更适合细胞的黏附与增殖活动。

3.3.2 内部结构改造 Ryu等［20］研究发现，生物支架材料的空间结构中合适的多孔结构，三维多孔且内部贯通的网络结构可适应细胞间交换，氧气、营养物质的输送及代谢物的排出，从而影响细胞的生长。通过空间结构改造，使支架材料在三维空间结构、表面的理化及生物学性质等方面模拟自然血管:支架大小(mm～cm级)决定组织工程血管口径和长度;支架孔隙的形态结构和大小(μm级)调节细胞的迁移与生长。因而，对多孔生物支架的构建以及多级孔径的合理设计成为当今研究的热点。McCullen等［21］制备聚乳酸纳米复合物纤维，通过纳米碳纤维增强种植的细胞间相互作用，提高细胞黏附与增殖。Baman等［22］利用三氟乙醇在聚乳酸生物支架材料中建立通道，可以使细胞与支架的黏附更加容易。Wang等［23］利用超声瞬间腔化作用使得聚乳酸生物支架材料原有泡沫样空间结构中多孔之间相连通，明显促进了细胞的黏附作用，改善了生物支架的组织相容性。

3.4 纳米纤维生物支架 研究发现［24］纳米纤维生物支架的细胞的黏附与增殖活动与纳米纤维的直径有直接关系，在一定范围内，细胞的黏附和增殖率呈现出双峰状分布的表现。多孔组织工程血管高分子生物支架结构应具有互相连通的大孔、微孔和介孔多级孔径结构增加材料的比表面积，利于氧气和营养物质的传输及代谢物的排出，对于细胞的黏附、增殖、分化的调控起着非常重要的作用。多级孔径结构的纳米纤维生物支架对组织工程结构的研究具有重要意义及临床应用前景。

纵观国内外各项研究，不断探索发现新的组织血管替代物。应用良好细胞相容性的新型高分子材料和静电纺丝纳米纤维支架制作技术，具有可制作高组织相容性的组织工程血管高分子生物支架，最终替代自体血管并实现血管再生的潜能，在血管组织工程领域具有良好前景，对心血管病外科治疗的发展也有重大意义和深远影响。

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