双维度仿生血管基底膜的构建及其在小口径组织工程血管中的应用

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原位血管组织工程是治疗小口径血管疾病、促进损伤小口径血管原位再生的理想策略。然而,远期通畅率不佳制约了小口径组织工程血管(Ф<6 mm)的临床应用转化。促进小口径组织工程血管内表面的原位内皮化是解决该问题的一种潜在途径。鉴于天然血管内皮层附着在血管基底膜(VBMs)上,本研究以静电纺纤维为研究平台,分别探究了纤维尺度、纤维取向、天然VBMs化学成分等因素对血管组织细胞行为的影响,围绕拓扑结构和化学成分双维度构建仿生VBMs,以期促进原位内皮化。受天然血管解剖结构启发,本研究最终设计并制备了基于仿生VBMs的静电纺纤维基三层结构小口径组织工程血管。主要研究内容与所取得的成果如下:(1)Ⅳ型胶原修饰无规纳米纤维膜对血管内皮细胞(ECs)行为的影响。制备纤维直径分别为54.77 nm(PCL-54)和544.64 nm(PCL-544)的PCL纤维膜,PCL平膜作为对照试样。细胞实验结果表明,相较于PCL-544和PCL平膜,PCL-54可以有效仿生天然VBMs的拓扑结构,有利于猪髂动脉内皮细胞(PIECs)的粘附和增殖,同时诱导PIECs充分铺展,并展现出更高的弹性模量和粘附力值。在此基础上,进一步引入Ⅳ型胶原至PCL-54,制备PCL-COLⅣ以仿生天然VBMs的拓扑结构和化学成分。结果表明,相较于PCL-54,PIECs在PCL-COL Ⅳ上的活性、增殖、铺展、细胞模量和粘附力进一步提升,证实表界面的拓扑结构和化学成分对ECs行为均有显著影响。(2)取向纤维尺度对血管ECs和巨噬细胞行为的调控。分别制备纤维直径为73 nm、582 nm、1456 nm、2036 nm、2738 nm和3442 nm的取向PCL静电纺纤维,评价纤维尺度对人脐静脉内皮细胞(HUVECs)行为的影响,选用人源血管ECs更符合实验设计初衷。结果表明,纤维尺度对HUVECs的粘附和一氧化氮(NO)释放影响有限。当纤维直径大于1456 nm时,HUVECs可以渗入试样孔隙并向内部生长迁移,不利于单层HUVECs的形成。73 nm取向纤维对HUVECs形貌无明显影响,同时未观察到HUVECs的取向排列生长现象。即当纤维尺度较小时,纤维取向对HUVECs的形貌和取向生长无明显的接触引导作用。随着纤维直径的增大,HUVECs形貌的伸长程度先升高后下降,在2738 nm取向纤维上受到最强的接触引导作用,取向伸长程度达到峰值。对于巨噬细胞(RAW 264.7),其在1456 nm纤维膜上的活性和TNF-α释放量均较低,表明1456nm取向纤维膜具有较优的抗炎性能。(3)Ⅳ型胶原/层粘连蛋白修饰取向微/纳混合纤维膜对血管ECs行为的影响。制备一种兼具取向纳米纤维和取向微米纤维对HUVECs的接触引导作用的微/纳混合纤维膜,其中直径为73 nm的取向PCL纳米纤维与天然VBMs的纤维尺度相近,直径为2.7μm的取向PCL微米纤维的存在则可以有效引导HUVECs形貌伸长。研究结果表明,取向微/纳混合纤维膜和取向微米纤维膜(2.7μm)允许HUVECs渗入迁移,这会导致HUVECs的多层生长,不利于完整平滑的HUVECs单层形成。相较而言,纳米尺度纤维更适合用于血管移植物内膜层的设计与制备。后续将天然VBMs的主要化学成分接枝引入微/纳混合纤维膜,包括单因素Ⅳ型胶原或层粘连蛋白,以及双因素Ⅳ型胶原和层粘连蛋白。相较于单因素化学成分,双因素Ⅳ型胶原和层粘连蛋白的共同引入可以进一步优化HUVECs行为,表明更多天然VBMs化学成分的引入可能有利于促进内皮化。(4)肝素修饰细胞外基质(ECMs)材料对血管组织细胞行为的影响。以聚四氟乙烯(PTFE)为基底材料,经过聚多巴胺/聚乙烯亚胺(PDA/PEI)共沉积修饰后,利用HUVECs/人脐动脉平滑肌细胞(HUASMCs)共培养-脱细胞方法制备ECMs对其进行进一步化学修饰。实验结果表明,ECMs的引入对HUVECs和HUASMCs的生长均展现出明显的促进作用,而SMCs的过度增殖可能引起内膜增生。鉴于此,后续引入肝素改性ECMs,旨在实现选择性调控HUVECs和HUASMCs行为。肝素接枝密度分别为4.89±1.02μg/cm~2、7.24±1.56μg/cm~2、15.63±2.45μg/cm~2和26.59±3.48μg/cm~2。结果表明,低肝素接枝密度(4.89±1.02μg/cm~2)试样的抗血小板粘附性能不佳,而高肝素接枝密度(26.59±3.48μg/cm~2)会抑制HUVECs生长而促进HUASMCs增殖。综合分析,7.24±1.56μg/cm~2为最优肝素接枝密度,此时试样的血液相容性优异,同时有望实现促进内皮化的同时抑制内膜增生。本研究提出的肝素修饰ECMs可以用于血管移植物材料的功能化修饰。(5)在以上研究的基础上,设计了一种基于天然VBMs拓扑结构和化学成分的双维度仿生VBMs,并以其为内膜层构建微纳复合纤维基仿生三层(无规/取向/无规)小口径组织工程血管。仿生VBMs由明胶/ECMs无规纳米纤维制成,并引入肝素进行改性。中膜层由肝素接枝改性的周向取向PCL/明胶微米纤维制成,外膜层由无规PCL微米纤维制成。体外表征结果表明,仿生VBMs的血液相容性优异,可以选择性促进HUVECs而抑制HUASMCs的生长,展现出促进内皮化而抑制内膜增生的潜能。内膜层和中膜层的肝素释放,以及中膜层和外膜层的纤维尺度和纤维取向的差异可以引导HUASMCs由外膜层向内渗入迁移,并在中膜层沿周向取向生长,进而有利于实现平滑肌层的再生。另一方面,本研究设计制备的小口径组织工程血管的血液相容性和生物力学性能优异,满足体内移植的要求。综上所述,本研究从仿生学出发,设计制备了一种双维度仿生VBMs,并基于此仿生VBMs构建了静电纺纤维基小口径组织工程血管。体外表征结果表明,该小口径组织工程血管具有促进体内原位内皮化和平滑肌组织再生的潜能,有利于实现长期通畅。本研究为血管移植物的原位内皮化研究提供了新思路,为小口径组织工程血管的设计研发提供了理论和实践参考。
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