人工血管及組織工程

1、人工血管研究調(diào)研,,2012-12-05,目錄,1.人工血管研究的背景及意義2.人工血管的發(fā)展歷程3.人工血管的要求及影響因素4.人工血管的制備方法5.人工血管的研究舉例6.總結(jié)及展望,人工血管研究的背景及意義,1.心血管疾病是世界三大殺手之一；2.外傷 ，動(dòng)脈硬化和心腦血管疾病等原因引起的血管損傷，單純藥物無法痊愈；3.自身的血管很難成為移植替代血管：血管大小，自帶病癥，數(shù)量限制；4.同種異體或異種血管排異反應(yīng)強(qiáng)烈；

2、……,通過人工的手段構(gòu)建血管是目前主要的解決方法,人工血管的發(fā)展歷史,,1952,20世紀(jì)60年代,1970,1978,1982,維綸制成有通透性,Voorhees,非織物膨體聚四氟乙烯,William Gore,,可吸收纖維組分 復(fù)合壁血管,Wesolow,,,帶有網(wǎng)孔的人造血管,Voorhees，Blakemore，Jaretzki,,內(nèi)皮細(xì)胞種植,Herring,,ePTFE 、PU 機(jī)織針織,,20世紀(jì)——,人工

3、血管的發(fā)展歷程,20世紀(jì)初，各國學(xué)者首先采用金屬、玻璃、聚乙烯、硅橡膠等材料制成的管狀物；2. 1952年 Voorhees首先研究將維綸制成人造血管，改變以往人工血管管壁的無通透性；3. 1970年Mansifield等首次嘗試了種植內(nèi)皮細(xì)胞實(shí)驗(yàn)，為臨床內(nèi)皮細(xì)胞的種植開創(chuàng)了先河。,人工血管的研究大致經(jīng)歷4 個(gè)發(fā)展階段：生物組織型、合成型 、生物混合型和組織工程型人工血管。,臨床應(yīng)用人工血管,滌綸與周圍組織反應(yīng)較強(qiáng)，血小板凝集的范圍

4、大，抗血栓形成性較低，生物相容性差，炎性反應(yīng)重，因此常用作為大、中口徑的動(dòng)脈移植。（需預(yù)凝）,膨體聚四氟乙烯人工血管使用前不必預(yù)凝，比其他血管具有更大的抗血栓性，與周圍組織反應(yīng)較輕，能承受壓力，血管通暢，能耐受反復(fù)穿刺，使用時(shí)間長，但順應(yīng)性較差，通暢率較低。,臨床應(yīng)用人工血管,聚氨酯由于具有優(yōu)良的順應(yīng)性、生物相容性以及一定的抗凝血性，可以大大減少新內(nèi)膜增生，合理的孔徑和孔隙率的三維結(jié)構(gòu)，能增強(qiáng)內(nèi)皮細(xì)胞在支架上的黏附、長入和鋪展，加速內(nèi)皮

5、細(xì)胞化。,內(nèi)壁修飾,1.無活性內(nèi)膜（碳）；2.1995年, Nojiri等制成包括三層結(jié)構(gòu)、管徑為3mm的人造血管,外層為滌綸(促使鄰近組織的相互結(jié)合) ,中層為無孔的聚胺基甲酸乙酯(形成光滑面) ,內(nèi)層為甲基丙烯酸羥乙酯(水凝膠)和苯乙烯(防止血栓形成)；3.用蛋白質(zhì)涂在管腔內(nèi)壁,常用者為白蛋白、明膠和膠原蛋白等；4.將肝素或尿激酶等抗凝劑,溶入人造血管的內(nèi)壁,以制止術(shù)后血栓形成；（磺酸化，等離子體表面改性等）,人工血管的要求及

6、影響因素,理想的人造血管，應(yīng)具備以下特點(diǎn)：①具備有良好的組織相容性和血液相容性；②與宿主健康血管相近似的動(dòng)力學(xué)性能；③能與所替代的血管愈合成一體，有血管內(nèi)膜長入；④不易形成血栓，長期保持通暢；⑤不易發(fā)生退行性改變，性能穩(wěn)定；⑥耐受血管內(nèi)壓力，不易形成動(dòng)脈瘤；⑦受壓后不易變形或扭折成角；⑧不引起異物反應(yīng)或排斥反應(yīng)；⑨抗感染；⑩縫合容易，不易撕裂；? 能選擇不同的口徑和長度。,血管組織工程,傳統(tǒng)治療中主要應(yīng)用合成材料例如滌綸等進(jìn)行血管替代治

7、療，由于術(shù)后栓塞，感染，鈣化等并發(fā)癥發(fā)生率較高，因此臨床治療效果并不理想。合成材料植入體內(nèi)后不具有生長能力，不能滿足小兒患者的生長發(fā)育要求，多數(shù)患者需要根據(jù)身體發(fā)育情況進(jìn)行更換。小口徑人造血管（內(nèi)徑≤6 mm ）的研究由于其順應(yīng)性及通暢性等多方面問題尚未解決。,血管組織工程是指利用血管壁正常細(xì)胞和可降解的生物材料進(jìn)行制備、重建和再生血管替代材料的學(xué)科。,組織工程血管組成,組織工程血管主要由血管支架和種子細(xì)胞組成，并且具備如下條件：①具

8、有或模擬體內(nèi)血管壁結(jié)構(gòu)。②具有高度的生物相容性，血栓以及免疫排斥反應(yīng)發(fā)生率極低。③具有生物學(xué)特性。④具有力學(xué)特性。,用于構(gòu)建血管組織工程的血管支架材料,血管組織工程支架材料要求與血液相容性好的生物活性材料，不僅具有生物活性，同時(shí)還要具有抗凝血和抗容血作用。,用于構(gòu)建血管組織工程的種子細(xì)胞,1.自體血管壁細(xì)胞,自體血管壁細(xì)胞被認(rèn)為是最佳的種子細(xì)胞，能夠避免內(nèi)皮細(xì)胞強(qiáng)烈的同種異體抗原性。,由于受到來源匱乏，體外擴(kuò)增老化率高、取材具有侵入性損

9、傷取材部位，以及病患或老年人細(xì)胞質(zhì)量低等限制，臨床無法廣泛應(yīng)用。,用于構(gòu)建血管組織工程的種子細(xì)胞,胚胎干細(xì)胞是一種多能干細(xì)胞，分布在囊胚內(nèi)細(xì)胞團(tuán)中，具有體外定向誘導(dǎo)分化功能。,2.胚胎干細(xì)胞,目前可獲取的胚胎干細(xì)胞數(shù)量較少，體外培養(yǎng)容易分化失去活性，并且作為異體細(xì)胞，在移植中容易發(fā)生免疫排斥反應(yīng)。,用于構(gòu)建血管組織工程的種子細(xì)胞,違反倫理,由體細(xì)胞誘導(dǎo)而成的干細(xì)胞，具有和胚胎干細(xì)胞類似的發(fā)育多潛能性。,用于構(gòu)建血管組織工程的種子細(xì)胞,骨

10、髓間充質(zhì)干細(xì)胞,2004年，Oswald等發(fā)現(xiàn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞能夠轉(zhuǎn)化為血管內(nèi)皮細(xì)胞，并且具有上皮細(xì)胞特異性表現(xiàn)，體外培養(yǎng)能夠形成毛細(xì)血管樣結(jié)構(gòu)。隨后，Pittenger等證實(shí)了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞不僅具有分化成血管平滑肌細(xì)胞，并參與平滑肌細(xì)胞重建。,構(gòu)建組織工程化血管的方法,1.全生物化組織工程血管將天然血管經(jīng)過特殊處理將實(shí)質(zhì)細(xì)胞去除, 保留相對(duì)完整的細(xì)胞外骨架結(jié)構(gòu)，是良好的組織工程血管支架材料。2.非血管細(xì)胞的組織工程化血管199

11、3年Langer等將大鼠自體背筋膜纏繞于硅膠棒后植入大鼠大腿中部皮下培養(yǎng)4周后分離硅膠棒，制成纖維膠原管經(jīng)抗凝血處理后接入股動(dòng)脈，術(shù)后移植管通暢。3.可吸收材料支架的組織工程血管,表面孔徑大小,Function al Polymer Scaffolds for Blood Vessel Tissue Engineering,Scaffold pore size plays a critical role in the infiltra

12、tion of the cells into the structure.,Nazely Diban, Dimitrios F. Stamatialis *,Macromol. Symp. 2011 , 309/310, 93–98,SMC preferentially attach to pore sizes between 38–150mm. In contrast, microvascular EC form a connecte

13、d multicellular lining on scaffolds with pores < 38mm.,表面成分和修飾,Zuwei Ma, Masaya Kotaki et al. Biomaterials, 2005, 26, 2527–2536,Heyun WANG, Jintang GUO et al. Front. Chem. Sci. Eng. 2011, 5(3): 392-400,PU; crosslinke

14、d gelatin scaffold; crosslinked gelatin-heparin scaffold (heparin, 1 wt- % ),基體自身帶電性質(zhì),In order to obtain cell resisted to a shear stress, a new culture surface modification based on polyelectrolyte adsorption was develop

15、ed [25]. This method showed endothelial cell adhesion on polyelectrolyte multilayer treated glasses [26] and ePTFE [27]. We had seeded human umbilical vein endothelial cells on the polyelectrolyte multilayer luminal surf

16、ace arteries and observed endothelial cell morphology close to those observed in native arteries [23].,內(nèi)壁的性質(zhì):一般認(rèn)為,攜負(fù)電荷的內(nèi)壁可抑制血小板的附著,但對(duì)同樣攜負(fù)電荷的EC卻有排斥作用。,Patrick Menu, Jean-François Stoltzet al. Bio-Medical Materials an

17、d Engineering, 2012, 22, 17-20,細(xì)胞形態(tài),Vascular Mechanobiology: Endothelial Cell Responses to Fluid Shear Stress,Joji Ando, MD; Kimiko Yamamoto, MD. Circulation Journal, 2009, 73, 1983-1992,Endothelial cells (ECs) lining bl

18、ood vessel walls respond to shear stress, a fluid mechanical force generated by flowing blood, and the EC responses play an important role in the homeostasis of the circulatory system.,表面微納結(jié)構(gòu),Micropatterning of three-dim

19、ensional electrospun polyurethane vascular grafts,micropatterned, small-diameter polyurethane grafts capable of promoting the formation of aligned endothelial cell monolayers.,Pimpon Uttayarat, Peter I. Lelkes et al. Act

20、a Biomaterialia, 2010, 6, 4229–4237,無支架人工血管,Human umbilical vein SMCs and skin fibroblasts were cul-tured for ～ 30 days, at which time both cell types had formed cohesive cellular sheets composed of cells and ECM, which

21、could be manually peeled from the culture flasks.,John D. Kakisis, Athens. Greece. et al. Journal of Vascular Surgery, 2005, 41, 349-354.Sumpio BE. Austin, TX: RG Landes Publishers, 1993, p.1-134.,類模具法人工血管,John D. Kakis

22、is, Athens. Greece. et al. Journal of Vascular Surgery, 2005, 41, 349-354.N. L’Heureux, L. Germain, R. Labbe, F.A. Auger. J Vasc Surg, 1993, 17, 499-509,The inner surface of the graft was seeded with bovine ECs and the

23、outer with bovine adventitial fibroblasts. A Dacron mesh was embedded into the wall to enhance the mechanical strength of the model.,無支架細(xì)胞操控,Morphological and Histological Evaluations of 3D-Layered Blood Vessel Construct

24、s Prepared by Hierarchical Cell Manipulation,Michiya Matsusaki, Mitsuru Akashi et al. Journal of Biomaterials Science, 2012, 23, 63–79,總結(jié)與展望,血管生物支架存在強(qiáng)烈的免疫排斥反應(yīng)也是需要解決的一個(gè)難題人工合成材料的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度、降解速度、微結(jié)構(gòu)和滲透性均可在生產(chǎn)過程中進(jìn)行控制；而天然材料的優(yōu)點(diǎn)則在于包含