李超婧23鄒婷23王璐23

1. 新疆大學(xué)紡織與服裝學(xué)院,新疆維吾爾自治區(qū) 烏魯木齊830046；2. 東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201620；3. 東華大學(xué)紡織學(xué)院,上海 201620

血管的健康在維持人體正常生理活動(dòng)方面發(fā)揮著重要的作用[1]。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的最新統(tǒng)計(jì)，心血管疾病作為全球范圍內(nèi)發(fā)病率和死亡率最高的疾病之一，嚴(yán)重威脅著人類健康?！吨袊难懿?bào)告2016》中推算，我國目前心血管疾病患者人數(shù)高達(dá)2.9億，且患者人數(shù)逐年在快速增長(zhǎng)[2]。現(xiàn)階段，血管搭橋手術(shù)或血管移植手術(shù)是臨床上常用的治療手段。有報(bào)道指出，美國每年約有140萬名患者共計(jì)花費(fèi)超過250億美元用于血管移植手術(shù)[3]。

目前，可供選擇的血管來源有三種：自體來源血管、異體來源血管和人工血管。使用自體來源血管進(jìn)行搭橋或移植手術(shù)是最佳的選擇，但受患者健康狀況等不確定性因素影響。采用異體來源血管進(jìn)行手術(shù)會(huì)面臨嚴(yán)重的免疫排斥反應(yīng)等問題。臨床上常采用人工血管對(duì)包括心血管疾病在內(nèi)的多種由于血管老化、病變或損傷造成的疾病進(jìn)行血管置換治療。因此，對(duì)人工血管的研究與改善一直是科研的重點(diǎn)。

1 人工血管的發(fā)展歷史

20世紀(jì)初期，各國學(xué)者先后采用玻璃、聚乙烯、金屬和硅橡膠等材料制成的管狀結(jié)構(gòu)物對(duì)動(dòng)物進(jìn)行血管移植手術(shù)試驗(yàn)。

20世紀(jì)40年代初期，HUFNAGED進(jìn)行了血管移植手術(shù)試驗(yàn)，其將硬質(zhì)塑料管植入生物體內(nèi)，術(shù)后短期內(nèi)便發(fā)生了嚴(yán)重的凝血反應(yīng)，引發(fā)了腔內(nèi)血栓，故該硬質(zhì)塑料管不能在臨床上進(jìn)行使用[4]1-4。

1952年，VOORHEES通過對(duì)術(shù)后動(dòng)物進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，用于手術(shù)縫合的真絲縫合線可以被一層內(nèi)皮細(xì)胞所包裹。受此啟發(fā)，他創(chuàng)造性地使用維綸制成了具有良好通透性的多孔人工血管，成功解決了以往塑料人工血管管壁不具備通透性的問題[5]。

隨后，各國科學(xué)家們針對(duì)多孔人工血管的材料改進(jìn)問題進(jìn)行了多種嘗試。1957年滌綸(聚酯)人工血管第一次應(yīng)用于手術(shù)中。1978 年，HERRING等通過將內(nèi)皮細(xì)胞植入人工血管表面進(jìn)行組織培養(yǎng)，獲得了內(nèi)皮化的內(nèi)腔，此舉有效增強(qiáng)了人工血管的抗血栓形成能力，開辟了組織工程人工血管研究的新思路[6]。1982年，WESOLOW研發(fā)了一種纖維組分可吸收的復(fù)合壁人工血管。該血管被植入后，纖維被人體吸收，血管壁孔徑增大，生物相容性(生物相容性包括組織相容性和血液相容性)增強(qiáng)。1986年，WEINBERG等通過體外培養(yǎng)的方式，將血管壁細(xì)胞種植到膠原和滌綸復(fù)合支架上，首次成功構(gòu)建出組織工程人工血管[7]。

2 常用的人工血管材料和制備方法

為更好地治療血管疾病，改進(jìn)人工血管的物理性能、化學(xué)性能及生物相容性，各國科學(xué)家們對(duì)人工血管的材料和制備方法進(jìn)行了大量的研究與改進(jìn)。

2.1 常用的人工血管材料及特性

人工血管已經(jīng)歷持續(xù)的研究和發(fā)展，目前常用的人工血管材料包括滌綸、聚四氟乙烯、聚氨酯和天然桑蠶絲等[8]。

滌綸力學(xué)性能優(yōu)秀、化學(xué)性能穩(wěn)定、組織相容性優(yōu)越、血液相容性差。植入滌綸人工血管后，血液可以快速地流入血管壁的微孔中，形成一層凝血層，這有利于平滑肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞的覆蓋和生長(zhǎng)，但凝血不可分解，難以被機(jī)體完全消化、吸收[9]4-5。因此，滌綸人工血管被廣泛應(yīng)用于大血管的置換手術(shù)，而小口徑的滌綸人工血管存在術(shù)后短期內(nèi)易形成血栓及內(nèi)皮化效果不佳等問題。此外，滌綸人工血管的網(wǎng)眼孔徑較大，為預(yù)防手術(shù)過程中血液滲出過多，滌綸人工血管還需提前進(jìn)行預(yù)凝處理。

聚四氟乙烯材料過去在中、小口徑人工血管中使用較為廣泛。聚四氟乙烯人工血管具有良好的生物相容性和抗血栓形成能力，但血管質(zhì)地較硬，順應(yīng)性較差，不易于手術(shù)縫合，植入后血管通暢性較低，尤其是口徑小于6 mm的小口徑聚四氟乙烯人工血管，其術(shù)后血管通暢性更低[4]1-4。當(dāng)前，對(duì)膨體聚四氟乙烯人工血管進(jìn)行表面改性以提高其抗凝性能，是其研究的重點(diǎn)。

聚氨酯材料具有優(yōu)秀的抗疲勞性、彈性和順應(yīng)性，用其制造的人工血管本身也具有更好的生物相容性和抗血栓形成能力，且經(jīng)動(dòng)物試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與聚四氟乙烯人工血管相比，聚氨酯人工血管植入后能在較短的時(shí)間內(nèi)觀察到人工血管的內(nèi)皮化，新生內(nèi)膜的厚度也更厚。因此，聚氨酯材料是目前小口徑人工血管研究的熱點(diǎn)。

天然桑蠶絲人工血管使用經(jīng)特殊處理的天然桑蠶絲為原料，是經(jīng)針織技術(shù)制成的一種筒狀結(jié)構(gòu)物，并經(jīng)過了保護(hù)處理以防血液外漏[10]。天然桑蠶絲人工血管口徑可低至 1mm，不易生成血栓，且天然的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)具有極好的組織相容性和生物安全性，但由于制備的天然桑蠶絲網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不夠穩(wěn)定，易導(dǎo)致血管吸癟，保形性差，且強(qiáng)度較低，這限制了天然桑蠶絲人工血管的臨床應(yīng)用。

2.2 常用的人工血管的制備方法

2.2.1 纖維連接法

纖維連接法制備人工血管目前采用最為廣泛，具體可細(xì)分為針織、三維機(jī)織和非織造三種。利用纖維連接法制備的人工血管在血管移植手術(shù)中會(huì)表現(xiàn)出良好的手術(shù)操作性和組織相容性，且纖維間空隙適當(dāng)，再結(jié)合對(duì)表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母纳疲蓾M足小口徑人工血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖依附的需求[11]。

2.2.2 組織工程化

自美國科學(xué)基金會(huì)提出組織工程的概念至今，三十年的時(shí)間內(nèi)，組織工程人工血管取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。利用組織細(xì)胞培養(yǎng)法制備出的人工血管支架能表現(xiàn)出良好的生物相容性、抗感染能力和一定的生物降解能力[12]。

2.2.3 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)在生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，為生命科學(xué)的發(fā)展和臨床醫(yī)療實(shí)踐提供了新的可能。近年來，有相關(guān)領(lǐng)域的專家和學(xué)者不斷嘗試使用3D打印技術(shù)，并制備出了更好的人工血管。有最新報(bào)道指出，德國弗朗霍夫研究所的科學(xué)家們已采用高分子材料，利用3D打印技術(shù)已制備出能有效抵抗人體免疫排斥反應(yīng)的人工血管[13]。

3 人工血管性能改善的研究進(jìn)展

為滿足治療的目的，人工血管要求具有良好的生物相容性、尺寸可調(diào)性、順應(yīng)性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、抗菌抗感染性、力學(xué)性能及抗血栓形成能力，且易于縫合，免疫反應(yīng)較低等。內(nèi)皮細(xì)胞具有維持血管正常舒張和收縮、保持血管張力、調(diào)節(jié)血壓的作用[9]7，尤其是其具有調(diào)節(jié)機(jī)體凝血平衡的作用，能有效防止血小板的聚集、血液的凝固和血栓的形成。與自體來源血管相比，人工血管不具有內(nèi)皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)。因此，人工血管移植后能否發(fā)生適當(dāng)?shù)膬?nèi)皮細(xì)胞增殖，是血管移植手術(shù)是否成功的關(guān)鍵。人工血管內(nèi)皮化程度低，則會(huì)導(dǎo)致人工血管血小板聚集，血管阻塞；人工血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖過度，則會(huì)導(dǎo)致人工血管的通透性減弱，血管阻塞。此外，人工血管還需具備良好的防止血液滲出的功能。

近年，為提高人工血管的性能、改善患者術(shù)后預(yù)后情況，研究者在人工血管的性能改進(jìn)方面開展了大量的工作，下文將從材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及生物相容性三方面進(jìn)行介紹。

3.1 材質(zhì)改進(jìn)

3.1.1 人工合成材料

目前，滌綸和膨體聚四氟乙烯人工血管在國內(nèi)外的血管移植手術(shù)中，尤其是在大口徑人工血管移植方面，應(yīng)用廣泛。其中，滌綸人工血管方面，為改善其血液相容性較差、表面易凝血等問題，常采用紫外光、低溫等離子體、離子束照射、濕法化學(xué)法、光化學(xué)法等方法處理滌綸表面[14]。此外，為滿足手術(shù)對(duì)滌綸人工血管防滲漏的要求，需對(duì)滌綸人工血管進(jìn)行預(yù)凝操作，如可通過在滌綸人工血管材料表面覆蓋一層生物涂層，并結(jié)合特定的活性物質(zhì)(如抗菌類藥物)，達(dá)到有效改善滌綸人工血管的操作性，避免預(yù)凝的目的。通常使用的生物涂層材料包括：白蛋白，可有效提高人工血管的抗凝性能；纖維連接蛋白，可促進(jìn)血管內(nèi)膜生成，抑制凝血；膠原蛋白，能促進(jìn)血管內(nèi)膜生成，防止凝血發(fā)生，有效提高人工血管的順應(yīng)性[15]；明膠，能促進(jìn)細(xì)胞黏附和生長(zhǎng)，并在血管植入后誘導(dǎo)血管內(nèi)膜形成，防止凝血。

日本九州國立大學(xué)研究員YOUNG等[16]使用氧氣等離子體與丙烯酸發(fā)生接枝共聚反應(yīng)，對(duì)滌綸材料的表面進(jìn)行修飾，改善滌綸人工血管的生物相容性，以抑制凝血導(dǎo)致的血管栓塞；中國科學(xué)院物理所研究員陳光良等[17]以CH4為碳源、Ar為稀釋氣體，采用射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法對(duì)滌綸進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)此法對(duì)滌綸人工血管的生物相容性有較好的改善效果。

聚氨酯材料具有獨(dú)特的微相分離結(jié)構(gòu)，宏觀角度上其具有光滑的表面，微觀角度上其是中間嵌有各類糖蛋白和糖脂質(zhì)的一個(gè)雙層脂質(zhì)的液體基質(zhì)層[18]。這種特征使聚氨酯人工血管的血管壁具有優(yōu)異的血液相容性、組織相容性及抗凝血性能，因此，在口徑小于6 mm的小口徑人工血管方面，聚氨酯的表現(xiàn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他高分子人工合成材料。其與其他材料混合使用還可提高人工血管的性能。例如，GUPTA等[19]將聚酯和聚氨酯混編制備出了口徑在4～6 mm的人工血管，其具有與人頸總動(dòng)脈極為相似順應(yīng)性，且動(dòng)物試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該人工血管植入6個(gè)月后，人工血管保持了良好的通暢率，且植入的人工血管表面形成了一層穩(wěn)定的內(nèi)皮結(jié)構(gòu)；楊紅軍等[20]使用超細(xì)絲素蛋白與聚氨酯材料相結(jié)合的方法制備出了人工血管，且經(jīng)動(dòng)物試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，絲素蛋白的加入增強(qiáng)了聚氨酯人工血管的組織相容性和血液相容性，同時(shí)聚氨酯本身優(yōu)秀的韌性和強(qiáng)度也為絲素蛋白提供了有力的支撐。

3.1.2 天然桑蠶絲材料

目前，市場(chǎng)上常用的人工合成高分子血管材料均無法滿足小口徑人工血管的制備要求。天然桑蠶絲作為一種天然高分子蛋白，具有組織相容性和血液相容性好、組織反應(yīng)輕、網(wǎng)孔大小適度、新生血管內(nèi)膜生長(zhǎng)完整等優(yōu)點(diǎn)，其已逐漸成為研究的熱點(diǎn)。ELAHI等[21-22]在天然桑蠶絲人工血管材料的最外層，通過層層自組裝的方式組裝了常用的抗凝藥物肝素。試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，接枝肝素后，天然桑蠶絲人工血管材料能夠有效降低對(duì)紅細(xì)胞的破壞作用，并降低對(duì)蛋白質(zhì)的吸附作用，改善血液凝血現(xiàn)象。劉鐵連[23]將血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子165和人血管生成素-1轉(zhuǎn)基因細(xì)胞修飾到再生絲素膜表面，可促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖。東華大學(xué)沈高天[24]以天然桑蠶絲為材料，經(jīng)脫膠、溶解等手段，制備出中等相對(duì)分子質(zhì)量的再生絲素蛋白，并通過層層自組裝的方式對(duì)天然桑蠶絲的纖維結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，提高了人工血管的生物相容性和移植手術(shù)的成功性。

3.2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

除材料改進(jìn)外，改善人工血管的表面結(jié)構(gòu)特征也是改進(jìn)人工血管性能的有效手段。

多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的人工血管是模仿人體自身血管的結(jié)構(gòu)特征研發(fā)的。例如，具有3層復(fù)合結(jié)構(gòu)的人工血管產(chǎn)品，其可以有效降低植入手術(shù)的難度，減少手術(shù)的時(shí)長(zhǎng)，且預(yù)后觀察發(fā)現(xiàn)術(shù)后感染率較低，能有效抑制感染的發(fā)生。另外研究還表明，中間層使用苯乙烯彈性樹脂的3層復(fù)合結(jié)構(gòu)人工血管，無需特殊處理，植入后幾乎無滲血情況的發(fā)生。

在人工血管表面添加波紋結(jié)構(gòu)，可以使人工血管獲得良好的彈性和彎曲性，其可在人體關(guān)節(jié)組織彎曲的狀態(tài)下保持血液流通，并能有效降低移植手術(shù)的操作難度。但血管內(nèi)壁的波紋結(jié)構(gòu)會(huì)使得血管內(nèi)壁不平整，易導(dǎo)致血小板等滯留在血管內(nèi)壁的波紋結(jié)構(gòu)中。王貴學(xué)等[25]通過在人工血管內(nèi)壁增加螺旋槽結(jié)構(gòu)，盡可能地增加血液在流經(jīng)血管壁時(shí)的流速，增強(qiáng)血液對(duì)血管內(nèi)壁的沖刷作用，從而降低血小板等在血管內(nèi)壁的滯留。GOODMAN等[26]模擬人體血管表面的三維結(jié)構(gòu)，制備了有特殊基底結(jié)構(gòu)的人工血管，通過血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種特殊的三維結(jié)構(gòu)更有利于血管內(nèi)皮細(xì)胞的生長(zhǎng)。

3.3 生物相容性改進(jìn)

生物相容性包括組織相容性和血液相容性。人工血管生物相容性的好壞在人工血管植入后能否有較好的預(yù)后恢復(fù)、能否有效抑制血管阻塞方面，均發(fā)揮著重要的作用，因此改善人工血管的生物相容性一直都是人們研究的熱點(diǎn)。上文也提到，目前常使用添加生物涂層、使用兩種或兩種以上的復(fù)合材料及在人工血管表面進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)等方式，進(jìn)行生物相容性的改善。

由于血液中的血小板、血細(xì)胞等成分均帶有不同程度的負(fù)電荷，所以依據(jù)同種電荷相互排斥的原理，通過對(duì)人工血管的表面材料進(jìn)行修飾，使人工血管表面材料帶負(fù)電荷，可有效降低術(shù)后血栓形成的風(fēng)險(xiǎn)，提高人工血管的生物相容性[27-28]。聚氨酯材料因具有微相分離結(jié)構(gòu)特征而表現(xiàn)出了良好的血液相容性。目前，國外已將血液相容性材料的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到嵌段聚醚氨酯材料上。這種材料的表面結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，具有不同的物理和化學(xué)特征，以及良好的血液相容性[29]。

此外，在制備過程中控制適當(dāng)?shù)难鼙诳紫堵剩饶芊乐寡旱臐B出，又能幫助血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)，改善材料的生物相容性。3D打印技術(shù)極大地提高了人工血管制備過程中對(duì)血管細(xì)節(jié)的控制能力，可以實(shí)現(xiàn)在宏觀尺度上保持血管表面光滑的同時(shí)，在微觀角度上具有一定的結(jié)構(gòu)變化，提高人工血管的生物相容性。

4 結(jié)語

隨著科技的發(fā)展，人工血管的材料和結(jié)構(gòu)等不斷改善，其應(yīng)用也越來越廣泛。目前，大口徑人工血管已廣泛地使用在臨床治療方面，并且取得了良好的使用效果，但小口徑人工血管仍然面臨著組織相容性較差、血管易阻塞等問題的困擾，不能很好地服務(wù)于臨床治療。通過改變材料的微觀構(gòu)象可賦予人工血管新的生物與化學(xué)性能；通過多種材料的使用并優(yōu)化材料的配比，可獲得更優(yōu)秀的生物相容性和物理性能，使人工血管更好地滿足移植手術(shù)的要求。除了傳統(tǒng)的人工血管制備方法外，3D打印技術(shù)的迅猛發(fā)展也為人工血管的制備提供了新的選擇和可能。