血管组织工程支架材料的研究进展

第37卷第11期2009年11月化 工 新 型 材 料N EW CH EM ICAL M A T ERIA L S Vo l 137No 111

#1#

综述与专论

基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)(2005C B623904)

作者简介:孙庆兰(1985-),女,硕士研究生,从事组织工程化血管构建等方面的研究。

血管组织工程支架材料的研究进展

孙庆兰1,2 张 华1* 张西正2 李瑞欣2 郭 勇2

(11天津工业大学理学院,天津300160;21军事医学科学院卫生装备研究所,天津300161)

摘 要 血管支架材料在组织工程血管构建过程中起着非常重要的作用。近年来已合成与制备了许多新型血管支架材料,并对材料进行了相关方面处理。本文对天然生物材料、合成高分子可降解材料和复合材料等血管组织工程支架材料进行了综述。

关键词 血管组织工程,天然生物材料,高分子可降解材料

Advances of vascular tissue engineering scaffold materials

Sun Qinglan

1,2

Zhang H ua 1 Zhang Xizheng 2 Li Ruix in 2 Guo Yong

2

(11Schoo l o f Science,Tianjin Poly technic U niv er sity,T ianjin 300160;

21Institute of M edical Equipment,Academ y o f Military M edical Sciences,T ianjin 300161)Abstract V ascular scaffo ld mater ials take a v ery im po rtant par t in the co nstr uction o f tissue eng ineering blood ves -sel.Recent ly ,many novel scaffold materials,Which ar e tr eated in r elated aspects,have been synthesized and prepared,with the dev elo pment of science and the ex per imental techno lo gy o f co nt inuous pr og ress.A lo t o f vascular scaffold mater-i als wer e review ed,such as natur al biomat erials,synthetic and degr adable polymer co mpo sites.

Key words vascular t issue eng ineering ,natural biomater ial,deg radable poly mer mater ial

随着生物学技术的不断进步,组织工程得到了迅速的发展,而血管组织工程也得到了相应的发展。血管支架材料在血管组织工程构建中起到非常重要的作用,是活细胞在体外生长所需支撑物,可以为组织化血管提供一定的机械强度和力学特性,种子细胞生长的三维空间结构,含有生物信息促进细胞的粘附与生长,增殖。近年来,生物医用材料研究取得了相当大的进步,这也加快了血管支架的发展,越来越多的新型材料应用于血管组织工程方面的研究。但是血管组织工程的最终目的是为了应用于临床,所以一个理想的支架应具备以下性质:¹可控制的生物降解速度;º低免疫原性,不引起炎症反应;»良好的生物相容性;¼良好的力学和生理学性能;

½合适的多孔结构;¾易于加工性;¿可消毒性[1-2]

。

根据来源和性能,目前研究应用的血管支架材料一般分为三类:天然生物材料,合成高分子可降解材料和复合材料。

1 天然生物材料

111 胶 原

胶原是机体内最丰富且普遍存在的结构蛋白,含有细胞粘附序列(RG D)及细胞特定粘附信号[3-4]。胶原具有良好的生物相容性,低免疫原性,含有丰富的生物信息促进细胞的粘

附,生长与增殖,缓解血管周围的压力,防止血管拉伸与膨胀等,是一种良好的血管支架材料[4-7]。Weinberg 等[7]通过培养牛内皮细胞、平滑肌细胞和成纤维细胞构建了第一根组织工程血管。成纤维细胞种植于内皮细胞与平滑肌细胞中间形成一个多层的类似于血管的组织,作为一种有效的渗透性屏障。血管强度依赖于与Dacr on 网片结合的胶原层数,但是却无法满足回植要求。但是单独由胶原制成的血管支架的机械强度并不能满足体内血流的压力和剪切力的要求。Zieg ler 等[8]设计了一种由血管平滑肌细胞、Ñ型胶原和内皮细胞组成的血管共培养模型。结果表明,即使在没有平滑肌细胞和流动切应力的情况下,胶原也可维持内皮细胞的生长,表明细胞外基质对于体内细胞的分化起到了重要作用。

112 脱细胞基质

目前,脱细胞基质已成为研究的热点[9-13]。脱细胞基质可分为血管组织脱细胞基质与非血管组织脱细胞基质。11211 血管组织脱细胞基质

天然血管组织经过处理脱除细胞后,保留其天然的物理结构及性能,非常符合体内血管生物学结构要求,并且富含生长因子及细胞粘附序列,生物相容性良好。另外,取材比较容易,血管支架可以采用同种动物自体或者异体脱细胞血管基

化工新型材料第37卷

质[10],也可以采用异种动物脱细胞血管基质[11]。

Schaner等[10]用十二烷基硫酸钠(SDS)脱去人大隐静脉的细胞制备血管脱细胞基质。结果表明,血管组织上细胞去除率>94%,胶原纤维无明显变化,弹性蛋白染色略有减少。采用犬颈静脉脱细胞基质移植到受体犬颈动脉,2周后并未发现扩张及破裂等现象。动物移植实验表明,血管脱细胞基质可作为一种较理想的支架材料应用于血管组织工程。Conklin 等[11]对猪颈主动脉进行脱细胞处理,制备脱细胞血管基质。经肝素处理后,机械性能良好。行狗冠状动脉搭桥手术,2个月后发现平滑肌细胞和内皮细胞生长良好。

1.2.2非血管组织脱细胞基质

非血管组织脱细胞基质有小肠黏膜下层,心包膜,筋膜等。30多年前就有学者提出,把脱细胞小肠粘膜基质作为血管支架材料[14]。随后,因为小肠粘膜下层(Small Int estinal Submuco sa,SIS)的生物学特点和部分因子有利于细胞的黏附、生长和增殖,受到许多学者的青睐,逐渐成为研究的热点[12-13]。SIS作为一种脱细胞基质,主要成分为胶原,富含生长因子,表现出良好的生物相容性,都可作为良好的血管支架材料使用。H uy nh等[12]由猪小肠粘膜下层脱细胞基质胶原制成内径4mm的管形结构,血管内表面用Ñ型牛胶原纤维包被,肝素处理。动物实验行兔动脉旁路搭桥术,表现出良好的抗凝血能力和通畅率。移植3个月后,对血管活性药物有生理性收缩反应。

113其他新型天然生物材料

此外,最近几年也有对其它的天然材料作为血管支架进行了相关的实验研究[14-16]。Jockenho evel等[15]用抑肽酶(20L g/cc)来控制纤维蛋白凝胶材料的降解速度,多聚--l赖氨酸固定,3mm三维支架结构性能良好。Jo ckenhoevel等实验表明纤维蛋白凝胶是一种较理想的血管支架材料。T ur ner 等[16]由透明质酸制成了一种可降解材料Hy aff-11,将人脐静脉内皮细胞以1@106cells/cm2种植到H yaff-11无纺支架上, 24h后,94%的细胞粘附到支架材料上。20天后经过压榨处理的H yaff-11支架上形成了完整的内皮细胞层。T ur ner等实验表明,H yaff-11可以促进血管替代物内皮化。

2合成高分子可降解材料

人工合成高分子材料因其具有良好的可控性,物理机械性能良好,易加工,最后降解完全,经处理工艺可加工成管状支架结构等特点而成为组织工程材料中研究最多,应用最广的支架材料[17-20]。血管组织工程中作为支架材料常用的有:聚羟基乙酸(P GA),聚乳酸(PL A),P GA与P L A的共聚物PL GA(poly(lactic-co-g ly co lic acid)),聚羟丁酸(poly-4-hy dr ox ybutyr ate,P-4-H B)等。

PG A在体内可经水解作用形成羟基乙酸,再经由K reb c s cy cle代谢成CO2及水分子而排出体外。其代谢产物无毒,且产物可通过肾脏等排泄系统排出体外,或能够进一步参与新陈代谢循环,所以具有良好的生物相容性和可降解性,在血管组织工程方面有着广泛的应用前景[16-18]。Shinoka等[17]首先报道了以PG A制成血管支架,从羊颈动脉和静脉分离得到血管种子细胞,体外培养增殖后种植于PG A支架上,经过7d孵育后,进行自体移植修复羊肺动脉,11周后支架材料完全降解,移植物内的胶原含量相当于自体肺动脉的7319%? 810%,管壁中层含有弹性纤维蛋白及血管内表面第八因子相关抗原免疫染色阳性,表明采用P GA作为支架材料构建的组织化血管具有很大的临床应用潜力。N iklaso n等[18]利用生物反应器提供三维动态环境来构建血管,将分离培养的犬主动脉平滑肌细胞种植于PG A管状支架,置于生物反应器(165次/分的频率搏动,5%的径向扩张)培养,8周后,官腔内种植内皮细胞,培养3d,移植入小猪体内,获得了大于24h的通畅率。血管替代物具有2000mmH g的抗破压,缝合强度高达90g及对血管药物收缩反应的能力,这与正常的血管指标相似。

PG A等高分子可降解材料虽然在医用材料方面有着广泛的用途,但是在体内降解过快,且很容易引起炎症反应等[16],限制了其在血管支架上的应用。但是如果将P GA与其它聚合物进行一定比例的共聚,可大大改善其物理性能。M iller 等[19]对PG A和PL A进行共聚合成纳米结构P LG A共聚物,在其上种植血管内皮细胞和平滑肌细胞,实验发现血管细胞密度明显增加,说明PL GA能够明显促进细胞的粘附、生长与增殖。

由于合成高分子可降解材料在组织工程中的广阔前景,所以国内外的学者对其他的合成高分子可降解材料作为血管组织工程支架材料方面进行了初步的研究与探索。杨松林等[20]对聚对苯二甲酸丁二醇酯-co-聚对苯二甲酸环己烷二甲醇酯-b-聚乙二醇嵌段共聚物(T20)、聚3-羟基丁酸-3-羟基戊酸酯(P HBV)和聚对苯二甲酸丁二醇酯/聚乙二醇对苯二甲酸酯嵌段共聚物(PEGT/PBT)共3种人工合成的可降解血管支架材料进行体外生物相容性评价。结果表明,T20、PH BV、PEG T/P BT血管支架材料具有良好的体外相容性,若对其进行明胶或多聚赖氨酸等表面预处理后,可明显提高犬血管平滑肌细胞的粘附生长能力。卢光等[21]探讨了以聚羟基丁酸戊酸酯(P HBV)为主体的几种人工合成可降解材料与人包皮成纤维细胞的生物相容性。结果表明,在所有的材料中,PH BV 与细胞的相容性最好,这就为组织工程血管初步筛选出一种较好的生物材料。

PL A在体内降解产物是乳酸,是糖的代谢产物,无毒害作用,但是却表现出与细胞的亲和性能力差。PH B也是一种降解产物,是对机体无毒害作用的医用材料,由于其具有良好的可控制释放系统,所以也成为组织工程支架研究的热点[22]。但是单独地人工合成高分子可降解材料并不含有生物信息,缺乏生物亲和性,与种子细胞的粘附性也很差。

3复合材料

天然生物材料含有生物信息,与细胞的亲和性强;而合成高分子材料的降解速度可以控制,物理机械性能良好等。天然生物材料和合成高分子材料都存在一定不足,若生物材料和高分子可降解材料相结合,将两者按照一定的方法组合构建成一种复合基质,发挥两者各自的优势,便能更好地满足血管组织工程的要求,构建出性能良好的组织工程化血管。

Fur ukaw a等[23]提出了一种新的血管构建模型,即用聚乙醇酸(PL LA)做成多孔的支架,然后将平滑肌细胞和胶原溶液

# 2 #