三维多孔支架血管化研究进展

陆梦漪(综述)，张龙城(审校)

(1.桂林医学院研究生学院，广西 桂林 541004； 2.解放军第三○三医院耳鼻咽喉-头颈外科，南宁 530021)



三维多孔支架血管化研究进展

陆梦漪1△(综述)，张龙城2※(审校)

(1.桂林医学院研究生学院，广西 桂林 541004； 2.解放军第三○三医院耳鼻咽喉-头颈外科，南宁 530021)

摘要：三维(3D)多孔支架在组织修复与重建方面的应用研究是组织工程领域众多研究中的一个重要方面。其中，功能性血管网络的构建是其成功的关键。许多因素均能影响这一构建过程，比如支架材料的特性、血管生成的相关生长因子、生长因子的缓释控制、支架与细胞联合培养等。不论在支架材料选择、血管生成相关因子应用及支架与细胞联合培养中，联合应用均呈现出更大的优势。

关键词：3D多孔支架；组织工程；血管化

自1987年组织工程这一概念被正式提出以来，组织工程技术已广泛运用于修复、替代机体受损组织与器官。其成功的关键在于是否能建立有效的血管网以满足机体代谢需求。至此血管构建的设计与血管的生长机制方面的研究已取得了巨大进展。其中，3D多孔支架已成为再生医学与组织工程中血管化研究的一个重要方面。近年来，大量实验研究证明这些支架在体外培养与体内移植中都具备生成血管网的能力。因此，3D多孔支架血管化构建在组织修复与重建方面有着巨大的价值。

13D多孔支架材料

选择适当的材料是3D多孔支架设计的第一步。支架材料可来源于任何自然界中已存在或人工合成的物质。理想的支架应该具有良好的生物相容性、多孔且渗透性佳，其机械强度与被替代组织相似，其降解速率与新生组织的生长速率接近。孔隙的直径大小、形态与交通程度都能影响细胞黏附、迁移、生长。良好的支架应当利于液体流动，这让营养分布更均匀，同时利于代谢产物和支架降解物及时运出[1]。

1.1生物高分子材料细胞外基质衍生物类高分子材料是一种较为普遍的支架材料。它们普遍存在于哺乳动物组织内，包括胶原、纤维蛋白凝胶、氨基葡聚糖等。胶原可用于修饰改变支架的力学特性、减缓支架的降解，其缺点是有引起机体免疫反应的潜在可能。纤维蛋白原参与机体损伤应答，在人工血管与骨重建研究中被广泛应用。透明质酸为氨基葡聚糖中的一员，是相对分子质量为(50～500)×103的高分子材料，常被应用于眼科学、关节病治疗与人造皮肤等领域。多糖类，如壳聚糖由于引起免疫反应较轻也被广泛关注。Mohd等[2]将壳聚糖用于真皮修复与替代。Liu等[3]将多孔壳聚糖膜与聚四氟乙烯复合材料植入大鼠皮下，通过组织学评估显示，这种支架能够减少胶原沉积、促进血管生成。

1.2人工合成生物材料人工合成生物材料包括一些可降解聚酯纤维，如聚乳酸、聚羟基乙酸、聚已内酯，它们具有较好的生物相容性与降解性。其中，聚乳酸疏水性佳，因而不易水解，聚已内酯具有低玻璃化温度、低熔点以及高热稳定性而适合于一些特殊加工，聚已内酯具有柔韧性且降解速率小于聚乳酸与聚羟基乙酸。聚酯类还能与其他材料聚合而改变其物理或化学特性。Li等[4]将聚已内酯与聚丙二醇、聚乙二醇分别聚合，获得了一系列不同机械性能与降解率的聚合物。另外一些降解性佳的高分子聚合物，如水凝胶因其结构与细胞外基质接近也被广泛关注。近年来，交联支架越来越多的应用于血管化研究。Chan等[5]研究了胶原水凝胶交联支架对于内皮细胞生理活动的影响，结果证明交联支架更能促进新生血管的成熟与稳定。

1.3生物陶瓷材料生物陶瓷具有与骨相似的化学成分及良好的生物相容性[6]。主要被用作骨与软骨的重建与修复。如钙-磷酸盐陶瓷、二氧化钛、氧化铝、氧化锆、生物活性玻璃等。其中钙-磷酸盐陶瓷，如羟基磷灰石、磷酸三钙、双相磷酸钙被研究的最广泛。钙-磷酸盐陶瓷具有一定的骨重建能力。但由于其力学性能较差，只局限应用于较小的填充移植或是作涂层材料。二氧化钛、氧化铝与氧化锆是应用最广泛的无机金属陶瓷[7]。它们具有良好的延展性、耐磨性与生物相容性，常被移植于承重较多的部位。但它们易引起机体排斥反应且不会随时间推移转化为骨组织。血管化是骨重建的关键因素之一，生物陶瓷具备一定的血管化能力。Laschke等[8]将纳米羟基磷灰石注射入仓鼠背部，2周后能检测到血管内皮细胞与白细胞的相互作用。

2血管生成相关生长因子

不论是在体内或体外实验中，3D支架在植入后必须与宿主的血管网建立联系才能达到预期的效果。缺损组织在3D支架的帮助下修复或重建，它们也会如同身体其他组织修复一样，逐渐出现血管形成与重塑的过程。许多生长因子直接或间接地作用于血管内皮细胞，参与血管生成过程。

2.1血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)VEGF是内皮细胞的有丝分裂原，通过与内皮细胞的直接作用而刺激血管生成。其家族包括VEGFA、VEGFB、VEGFC、VEGFD与胎盘生长因子，其中，VEGFA最具有代表性。根据VEGF-mRNA剪切方式的不同，VEGF还可以分为VEGF121、VEGF145、VEGF165、VEGF189、VEGF206，VEGF165效应最强。VEGF的受体包括VEGFR-1与VEGFR-2，它们仅在血管内皮细胞表面表达，增加血管通透性。VEGFR-2是主要的功能受体，在VEGF信号转导与血管内皮形成过程中起主要作用。Kalka等[9]研究了在缺血性心肌血管新生过程中VEGF165对内皮祖细胞的动员作用，结果显示血管数目随VEGF剂量增加而增加，血管的密度却相对恒定。因此，VEGF的剂量主要影响血管生成的数目。目前，VEGF已被运用于多种生物支架的血管化研究，如胶原蛋白支架、聚乙烯支架、聚乳酸-羟基乙酸共聚物支架等[10-12]。

2.2碱性成纤维细胞生长因子(basic fibroblast growth factor,bFGF)bFGF由中胚层来源的细胞与内皮细胞分泌，能调控内皮细胞、成骨细胞、成纤维细胞等细胞的分化、增殖、迁移与凋亡。它通过趋化作用诱导壁细胞分化，诱导细胞分泌胶原酶、蛋白水解酶，从而抑制细胞外基质降解[13]。bFGF的受体为酪氨酸激酶受体与主要成分为硫酸乙酰肝素蛋白多糖的肝素样受体。bFGF对循环修复作用显著，Zhao等[14]将明胶微球缓释的bFGF运用于犬后肢缺血模型中，结果显示bFGF能够有效促进血管生成，改善后肢缺血。血管形成与bFGF的浓度多呈剂量依赖性，但当bFGF水平较高时会抑制内皮细胞的增殖和迁移。

2.3其他生长因子转化生长因子β可以趋化成纤维细胞、巨噬细胞、单核细胞，促进其释放VEGF，上调VEGF的表达。转化生长因子β可在转录水平促进VEGF-mRNA的表达，从而促进血管形成。酸性环境与纤溶酶原都可上调转化生长因子β的表达。血小板源生长因子(platelet derived growth factor,PDGF)是血管平滑肌细胞的有丝分裂原，其家族包括PDGF-A、PDGF-B、PDGF-C、PDGF-D。在缺血模型中，PDGF-C可诱导内皮细胞与平滑肌细胞的迁移，促进VEGF分泌[15]。血管生成素(Ang)促进血管形成、重塑与成熟。其家族包括Ang-1、Ang-2、Ang-3、Ang-4。其中，Ang-1与Ang-2是与血管生成关系最密切的两个因子。Ang-1可抑制内皮细胞凋亡、稳定血管，促进内皮细胞迁移与血管生成，其作用类似于VEGF[16]。Ang-2是它的拮抗剂，其拮抗作用与局部VEGF含量有关。

3生长因子在构建3D多孔支架血管化中的运用

单一的生长因子运用于3D支架血管生成，结果并不理想。Nillesen等[17]发现VEGF与bFGF联合使用比单独使用更能有效降低环境含氧量、促进血管形成。生长因子的浓度也是影响血管生成的重要因素，微血管生长与VEGF及bFGF浓度呈剂量依赖性[18]。此外，VEGF和bFGF在无任何保护与调控的情况下迅速在体内代谢[19]。而高浓度VEGF持续作用于组织，则会生成大量畸形且无功能的血管[20]。因此，血管生长因子的缓释对于3D支架血管化十分关键。用可降解的聚合物对生长因子多孔支架复合体进行包裹是一种缓释方法。生物衍生水凝胶类，如胶原蛋白、透明质酸钠以及明胶，具有生物相容性与惰性，适合作为包裹材料[20-22]。Han等[23]研究了聚乙二醇-b-聚(L-丙交酯-co-ε-己内酯)、聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚已内酯与明胶复合支架中VEGF与PDGF的释放速率，结果显示VEGF与PDGF的初浓度在兔左颈总动脉中能够维持8周。

4联合细胞培养在3D多孔支架血管化中的运用

近年来，联合细胞培养在组织工程血管化中应用广泛，尤其是3D支架在体内和体外的血管化构建。目前最常见的是与血管内皮细胞相关的联合细胞培养，血管内皮细胞多来源于人脐静脉。Hudon等[24]将人脐静脉细胞与真皮成纤维母细胞共同载入胶原蛋白海绵生物支架中制备人工皮肤，结果发现一些血管分支结构形成，且能够维持1个月以上。Wu等[25]将内皮细胞与平滑肌细胞共同种植于聚羟基乙酸-左旋聚乳酸材料3D多孔生物支架上，支架中能够观察到血管样结构，在只种植有内皮细胞的支架中则无此种结构。此外，干细胞因其高度增殖分化能力，也被用作3D支架血管化的研究。Handel等[26]研究了人脂肪干细胞通过胶原涂层载入3D 45S5生物玻璃支架后，不论在人类脐静脉内皮细胞相关的体外培养还是绒毛尿囊膜血管生成模型的体内试验中，都显示出良好的血管生成效应。Liu等[27]将胚胎骨髓间充质干细胞与血管内皮细胞在大孔隙支架中联合培养14 d以上，早期能检测到血管生成，且能增强支架的成骨效应。

5小结

3D多孔支架的血管化构建越来越引起重视，目前其构建方法很多，但或多或少存在一些缺点。如支架材料的选择、支架孔隙率、表面化学性质及力学性能等特性的控制，生长因子或种子细胞的选择，生长因子浓度及缓释等因素都影响着最终的血管生成效应，而在实验过程中，往往难以选择出最佳条件。最终诱导的新生血管是否成熟，能否长期维持生理功能及安全性问题，仍需要进一步探索。无论是支架材料、生长因子还是细胞与支架联合培养，联合运用均显示出更大的潜能和优势。相信随着血管化研究的不断深入，会有更加理想的血管化构建方法不断涌现。

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Research Advances of Three-dimensional Porous Scaffolds Vascularization

LUMeng-yi1,ZHANGLong-cheng2.

(1.GuilinMedicalUniversityGraduateSchool,Guilin541004,China; 2.DepartemtofOtolaryngologyHeadandNeckSurgery, 303rdHospitalofPeople′sLiberationArmy,Nanning530021,China)

Abstract：The three-dimensional(3D)porous scaffolds application in tissue repair and reconstruction is an important aspect in tissue engineering researches.The functional vascular network formation is the most important to the success of the reconstruction and restoration.Many factors can affect this process,such as the property of scaffolds,angiogenic factors,the controlled release of angiogenic growth factors,the co-culture with scaffolds,etc.No matter in the aspect of scaffolds material selection,angiogenic factors or the co-culture with scaffolds,combined application has a significant advantage.

Key words:3D porous scaffolds; Tissue engineering; Vascularization

收稿日期：2014-02-07修回日期：2014-06-29编辑：相丹峰

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.01.037

中图分类号：R318.08

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)01-0094-03