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August 31-September 2 2022 | SWEECC H1&H2

如何制备“以假乱真”的血管?材料、技术分类总结(一) | 人工血管

2022-01-07

人工血管系列,将深入分析人工血管的制备、临床应用、市场容量、国内外代表产品以及创新产品研究现状。本篇首先介绍自体血管组成结构,进而深入整理盘点人工血管各种制作材料及制备技术,并对优缺点进行汇总对比。

自体动脉血管结构与功能
人体动脉血管由内膜,中膜和外膜三层结构组成。不同口径和部位的血管,每层的厚度不同。其中:
•内膜直接与血液接触,由附着于基底膜的结缔组织床上的内皮细胞构成。内皮细胞层可以阻止凝血和补体因子的活化,并抑制白细胞和血小板的粘附[1]。此外还参与血管收缩扩张,生长和血管重塑的调节[2]。
•中膜是血管壁的中间层,主要由平滑肌细胞(SMC)组成,还有弹性组织层和少量胶原蛋白。中膜层有助于血管抵抗由血流和腔内压力的生理脉动引起的重复扩张和收缩。
•外膜层由疏松结缔组织组成,以成纤维细胞为主,当血管受损伤吋,成纤维细胞具有修复外膜的能力[3]。

在这三层中,中膜层SMC、胶原蛋白和弹性蛋白纤维主要承担了保证血管的机械强度和弹性的功能。


图. 动脉三层结构示意图[4]


图. 人体主要动脉血管直径范围[5]

人工血管常用材料及制作技术
按照口径大小,人工血管分为大、中、小三种规格,通常称10毫米以上的为大口径,介于6毫米和10毫米之间的为中等口径,小于6毫米的是小口径。

理想的支架材料力学特性应尽可能与天然动脉相匹配,替代材料应该是弹性的,机械上有耐用性,可降解以及具有良好的生物相容性[6]。


2.1人工血管的制作材料

(1)天然高分子材料:天然高分子材料如胶原、明胶、海藻酸钠、壳聚糖等,一般具有无毒、亲水、细胞亲和性及生物相容性好等特点,特别适用于制备人工血管。但这些天然高分子材料往往力学性能欠佳,需进行一定处理后方可满足人工血管的材料需求;

(2)合成高分子材料:涤纶、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氨酯(PU)、聚己内酯(PCL),聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)等先后被应用于人工血管的研发。合成高分子材料具有来源可控、质量稳定性高、加工简单及机械性能好等优点,目前对这些传统高分子材料的研究与改良也是目前的热点方向之一;

(3)动物源脱细胞基质材料:将同种或者异种来源的动物血管或肠系膜,通过酶处理、超声或离心技术处理成脱细胞基质后,制备成组织工程人工血管[7]。

目前,应用涤纶、聚四氟乙烯、天然真丝等人造材料制备的大、中口径人工血管已经应用于临床,并取得了满意的效果;但迄今为止,还没有人工小口径(直径<6 mm)血管上市。

主要原因是:材料自身的血液相容性及抗凝血性能不佳,当与血液接触后会不同程度的产生纤维蛋白和血小板沉积,造成管腔狭窄,血管闭塞;由于小血管系统中血流速度慢、血压低,而这些非降解材料无法支持内皮细胞的黏附和生长,人工血管植入体内后不能尽快内皮化,造成血管狭窄、栓塞发生,小口径人工血管的远期通畅率无法保证[8]。

目前对于小口径血管产品的研究是公司以及高校科研的重点及难点。


表1、小口径血管支架材料种类特点[8]

2.2人工血管的制备技术
(1)生物涂层技术:理想的人工血管材料应该具有抗血栓、抗血小板聚集、组织相容性好、无炎性反应等特点,研究人员在材料的表面链接小分子或者表面活性剂,通过改善血管内皮细胞在血管材料内壁上的附着情况,增强抗血栓、抗凝血、提高长期血流通畅率;

(2)静电纺丝技术:该技术设备简单,成本较为低廉,可以灵活控制等优点,广泛用于血管支架材料的研究中。静电纺丝技术是利用高压静电场作用,使材料溶液形成带电的喷射流,并在电场中被拉伸,最后接收形成无纺状态的纳米纤维层或者微米纤维层。这种纤维层具有与人体组织细胞外基质膜类似的结构,且具有高孔隙率等特点,有利于自体细胞的黏附、增殖,提高人工血管的生物相容性;


图. 静电纺丝原理[9]

(3)组织工程是一门新兴的交叉学科,从再生角度为血管移植提供新的途径。其方法是将种子细胞接种于天然或合成材料支架上,进而构建从形态到功能均与活体血管接近的组织工程化血管,在植入前进行脱细胞处理,避免免疫排斥问题。


图. 组织工程原理人工血管原理图[10]

来源:和义广业创新平台