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综述:静电纺丝纳米纤维支架用于血管组织工程

生物医学    2021-09-18 16:42

由于心血管疾病的流行,人们对使用自体血管无法满足的小直径血管移植物的需求日益增长。尽管中大直径的合成血管正在使用中,但由于小血管中存在独特的动态环境,目前还无法开发出合适的小直径血管移植物。为了实现长期通畅性,成功的组织工程血管移植物需要与天然组织的机械特性精准匹配,无血栓形成和非免疫原性,并且可以引发适当的愈合反应,从而进行重塑以融入天然血管系统。静电纺丝是一种很有前景的开发合适组织工程血管移植物的方法。

 

在这篇综述中,作者研究了静电纺丝作为一种可行的小直径血管移植方法的现状。概述了静电纺丝和最广泛用于血管静电纺丝的聚合物,包括它们的优点和缺点。接下来,研究了用于改善支架结构以改善细胞反应的技术。最后,作者研究将生物活性剂掺入移植物中以改善功能组织的形成。相关研究成果以“Electrospun Nanofiber Scaffold for Vascular Tissue Engineering”为题目发表于期刊《Materials Science & Engineering C》上。

 

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图1.动脉图。动脉由三层组成:内膜、中膜和外膜。内膜由单层内皮细胞组成,被弹性层包围。培养基包含多层VSMCs,其间散布着大量的胶原纤维和弹性蛋白ECM(未显示)。外膜由结缔组织组成,含有成纤维细胞和巨噬细胞。

 

静电纺丝制备血管接枝的聚合物

 

王等人通过在直径为 2 毫米的心轴周围滚动涂有纤维蛋白胶的电纺 PLGA 片,开发了多层管状 PLGA 移植物(图 2)。这种方法允许 PLGA 层的数量和壁厚很容易调整,并允许轻松操纵机械性能,5 层移植物具有与 GSV 相似的爆裂压力。在滚动移植物之前,通过在 PLGA 片上播种细胞,可以很容易地将细胞封装在支架内。接种在支架中的 C2C12 小鼠成肌细胞表现出良好的生存能力和增殖能力。重要的是,细胞接种的支架也显示出减少的泄漏。

 

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图2.Wang等人用纤维蛋白胶卷绕PLGA垫以创建多层支架。接种在支架中的细胞显示出良好的活力和增殖能力。此外,接种细胞的支架也显示出减少的渗漏。

 

改良静电纺丝技术用于血管组织工程

 

多层电纺血管移植具有可以复制天然血管的多层结构的优点,因此,具有潜在的应用。多层设计允许通过选择聚合物、静电纺丝参数或添加生物活性分子来剪裁各种性能,以最适合在接枝的每一层中发现的细胞类型的需要。韩等人制作了一个三层血管移植物,设计用于 VEGF 和血小板衍生生长因子 (PDGF) 的时空传递(图 3)。 选择由 75:25 PLCL 组成的内层用于快速释放 VEGF 以促进快速内皮化,而选择由 75:25 PLGA 组成的中间层用于缓慢释放 PDGF 以形成 VSMC 层。 PCL的外层提高了移植物的机械强度,同时也延迟了PDGF的释放。三层移植物的力学性能明显高于用于作对比猪冠状动脉。

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图3.Han F.等人制备了由外部PCL/明胶层、中间PLGA/明胶+PDGF层和内部PLCL/明胶+VEGF层组成的三层移植物。内层的明胶纤维支持快速EC附着,一旦降解,外层和中间层的孔隙率就会增加,从而允许VSMC向内生长。

 

Wu T. 等人制造了三层移植物,内部两层适合 ECs 和 VSMCs(图 4)。内层由圆周排列的 PLCL/胶原纳米纤维组成。HUVEC 在对齐的纳米纤维上增殖良好,但在对齐和随机纤维之间没有观察到差异。观察到 HUVEC 沿着纳米纤维定向,这可能有助于促进有组织的内皮和功能性 EC 的生长。中间层由 PLGA/SF 电纺纱组成。PLGA/SF 纳米纤维收集在旋转漏斗上,用于将纤维捻成纱线并收集在杆上。纱线缠绕在对齐的 PLCL 层上。与 PLGA/SF 纤维相比,PLGA/SF 纤维上的 VSMCs 增殖明显更好,因为它具有更多孔的三维结构,并且被发现沿纱线定向。这将有助于 VSMC 在媒体墙中发挥作用。最后,收集随机 PLCL/胶原纳米纤维的外层以保持整个结构完整。

 

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图4.Wu T.等人创建三层移植物的示意图。(A)在旋转心轴上收集定向PLCL/胶原纤维。(B)使用定制的静电纺丝装置生成PLGA/SF纱线。(C)随机电纺PCLC/胶原纳米纤维薄外层可将各部分粘合在一起。

 

在正常的血管中,不同类型的细胞以不同的方式排列,形成了它们功能的一个关键方面。ECs 与血流方向纵向对齐,而 VSMCs 周向对齐,因此能够收缩血管。当静电纺丝管状支架时,可以通过以足够的速度旋转心轴来获得圆周排列的纤维。旋转速度取决于确切的设置,因为心轴的表面速度必须超过正在沉积的纤维的速度。

 

Fusaro 等人发现 EC 增殖和功能在圆周排列的纳米纤维上得到增强。通过使用两个平行板作为收集器可以获得纵向排列的纤维。沉积的纤维将桥接板之间的间隙,垂直于板定向并且彼此平行排列。然后可以通过在其上滚动心轴来收集纤维,使它们沿着心轴的长度定向(图 5)

 

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图5.(A)Tan等人使用的静电纺丝示意图。(B)将电纺PCL纳米纤维收集在两个平行杆之间,(C,D)收集在心轴上,形成纵向排列的纤维。(E)PCL和PEG共电纺丝以创建外层和(F)支架成品。

 

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图6.Mi等人使用的装置示意图。该装置由一个被卫星杆包围的空心金属心轴组成。旋转时,金属棒变形并收集纤维。当纤维沉积时,杆收缩使纤维形成波状结构。

 

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图7.Norouzi和Shamloo使用的装置示意图。将交联的明胶水凝胶浇铸在内部电纺PCL/明胶层周围。冷冻干燥后,水凝胶形成多孔外层。

 

静电纺丝在开发一种能够满足合成接枝所有需要的TEVG方面具有巨大的潜力,许多方法都显示出巨大的前景。然而,显然需要更多的研究来推进该领域并开发与黄金标准自体血管具有相似性能的 TEVG。 作为涉及材料科学、力学和生物学的多学科领域,需要不同专业知识之间的密切合作来发挥其潜力并开发成功、持久的电纺 TEVG,以满足人口老龄化的需求。

 

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.msec.2021.112373