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电纺丝技术在血管组织工程支架制备中的应用

徐飞  
【摘要】: 人体的部分血管因为病变或损伤(如动脉硬化、血管老化或破损)等原因不能保证血液的正常供应时,需要进行血管置换手术进行治疗。据资料显示,全球每年大约超过60万人需要各种血管外科手术。目前,临床上应用的血管移植物主要有自体血管、异体血管和人工合成材料血管。由于自体血管的来源不足,异体血管多因为排斥反应、内皮细胞脱落等原因在外科手术的应用中受到限制。为扩大血管移植物的来源,其研究主要集中在人工合成材料血管。目前人工合成材料血管主要应用于大口径血管( 6mm)的替代,使用的材料主要为不可降解材料。由于不可降解材料的疏水性很强,在应用于小口径血管时,易产生凝血等原因而堵塞血管,不能满足临床的需要,因此,小口径血管移植物的研究和应用成为当前研究热点。 本研究将静电纺丝技术、静电自组装技术应用于小口径( 6mm)的新型组织工程血管(tissue engineering blood vessel,TEBV)的制作,对不同材料配比组成的支架进行细胞相容性、血液相容性和组织相容性实验,改进了血管支架的制备技术,并成功的制备了可降解的小口径人工血管,为TEBV的制备及临床的应用提供了实验依据。 本研究中血管组织工程支架材料的制备是在清华大学材料科学与工程系的生物材料研究室完成。实验材料主要是以聚乳酸(poly(l-lactide),PLLA)为基体材料,其中引入不同质量分数的聚乙烯吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone,PVP),通过静电纺丝技术制成人工血管,并运用静电自组装技术(Electrostatic self-assemble,ESA)在PLLA基体材料表面组装壳聚糖/肝素来对基体材料进行表面修饰。 通过对混入不同质量分数PVP制备的PLLA电纺丝膜,分别进行差示扫描量热分析(DSC)、扫描电子显微镜观察(SEM)、接触角测试(CA)和力学性能分析;对利用ESA表面修饰的PLLA电纺丝膜进行SEM、傅立叶变换红外光谱测试、X射线光电子能谱仪测试、CA测试进行材料学的表征,证明壳聚糖/肝素成功的组装到PLLA电纺膜表面。经过在混入不同PVP制备的PLLA电纺丝膜上分别种植血管平滑肌细胞(VSMCs),分别在2、4、6天取样进行SEM、激光共聚焦显微镜(LSCM)观察,以检测VSMCs在材料上铺展的形貌和分布情况;经MTT测试,以了解材料对VSMCs增殖的影响;经血小板粘附实验,测试材料的血液相容性。 通过ESA进行表面修饰的PLLA材料,在壳聚糖面和肝素面分别种植VSMCs和人脐静脉内皮细胞(EVCs),检测不同的组装层分别对VSMCs和EVCs生长的影响,并在2、4、6天取样分别进行MTT测试,对这两种细胞在不同组装层上的增殖情况进行检测。将混入不同质量分数PVP的PLLA的电纺丝膜置于PBS中降解5周观察其降解情况,分别于不同时间点取样观察,通过样品的失重率、分子量变化、SEM观察和pH值变化进行检测。 在新西兰大白兔皮下植入PLLA电纺丝膜、含有9%PVP的PLLA电纺丝膜、组装后壳聚糖层、组装后肝素层的四种材料,分别于4天和15天取样进行组织学切片、H.E染色进行组织相容性观察。 基于上述研究,我们成功的制备出可降解的血管组织工程支架,材料学的表征证明:混入PVP的PLLA电纺丝膜具有良好的表面结构,亲水性显著提高,且随着PVP含量的增多PLLA电纺丝膜的亲水性增高;成功的将壳聚糖/肝素交替组装在PLLA电纺丝膜上,并显著改善了材料的亲水性。细胞实验结果表明:混有PVP的PLLA电纺丝膜利于VSMCs的粘附生长,具有良好的细胞相容性和血液相容性;通过表面改性的PLLA电纺丝膜的不同表面对VSMCs的增殖生长都有抑制作用,而对EVCs的增殖具有促进作用。体外降解实验和动物皮下实验说明通过调节PVP的含量可以控制PLLA的降解速率,本研究中含有3%PVP的PLLA电纺丝膜降解速率最快;动物皮下实验表明该材料具有良好的组织相容性。 综上所述,我们成功的将PVP和PLLA进行了静电纺丝,并成功的将ESA对电纺丝膜进行了表面修饰,制备了小口径(6mm)的人工血管,并且该血管材料可降解,具有良好的细胞相容性和组织相容性。若能在血液相容性方面深入研究。该研究制备的血管有望应用于临床。


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