聚合物靜電紡纖維促進(jìn)組織血管修復(fù)的研究進(jìn)展

李慧妍，張紅，陳茂華，張?jiān)?，李孝紅

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聚合物靜電紡纖維促進(jìn)組織血管修復(fù)的研究進(jìn)展

李慧妍，張紅，陳茂華，張?jiān)?，李孝紅

610031 成都，西南交通大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院（李慧妍、李孝紅），材料學(xué)院（張紅、陳茂華、張?jiān)?、李孝紅）

近十年，由于不健康飲食習(xí)慣及人口的老齡化，缺血性血管疾病的發(fā)病率有逐年增高的趨勢(shì)。動(dòng)脈缺血引發(fā)的腦部、心臟和外周血管疾病成為威脅人類健康的頭號(hào)殺手，引起了醫(yī)生和科研人員的廣泛關(guān)注和重視。目前臨床治療缺血性疾病的方法主要包括血管搭橋手術(shù)、腔內(nèi)介入和藥物治療。這些方法雖然可以在一定程度上緩解缺血病癥，卻仍存在許多不足之處，如術(shù)后再閉塞以致需要二次手術(shù)、介入材料的生物相容性及機(jī)械性能不足以及藥物治療效果不夠穩(wěn)定持久等問(wèn)題。因此，需要探究更加有效的方法來(lái)促進(jìn)缺血組織血管化，最大程度恢復(fù)組織血液供應(yīng)。

組織工程血管是目前極具前景的治療手段，其中選擇合適的胞外基質(zhì)支架是血管組織工程的關(guān)鍵。理想的血管組織工程支架應(yīng)具有比表面積大，孔道連通性好，生物相容性高（低毒、無(wú)致癌性、無(wú)過(guò)敏反應(yīng)、不會(huì)造成血栓和組織增生及感染），支架降解速率可控，力學(xué)性能適宜，能為細(xì)胞提供理想的生長(zhǎng)環(huán)境等特點(diǎn)[1]。靜電紡纖維是一種低耗能、高效率的納米纖維制備技術(shù)，獲得的纖維支架材料選擇范圍廣、比表面積高、結(jié)構(gòu)疏松多孔、能夠很好地模擬胞外基質(zhì)。同時(shí)，電紡纖維還能攜載無(wú)機(jī)粒子或一些調(diào)控細(xì)胞行為的藥物、蛋白、基因等活性成分，其作為血管組織工程支架具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[2-3]。

1 聚合物靜電紡纖維作為血管組織支架

聚合物靜電紡血管組織支架根據(jù)制備手段的不同可大致分為三種：?jiǎn)我痪酆衔锢w維、復(fù)合纖維、多層電紡纖維。單一聚合物纖維是指采用單一聚合物電紡得到的電紡纖維，具有制備方便、廉價(jià)、適用材料廣泛的特點(diǎn)。天然高分子材料具有優(yōu)良的生物學(xué)性能，如靜電紡膠原蛋白支架，其生物相容性優(yōu)良且具有適宜的可降解性和弱抗原性[4]。但由于多數(shù)天然高分子支架機(jī)械性能不足，在一定程度上限制了其在血管修復(fù)中的應(yīng)用。而人工合成高分子材料通常具備優(yōu)異的物理學(xué)性能。Inoguchi 等[5]將丙交酯和己內(nèi)酯的共聚物（PLCL）電紡，通過(guò)調(diào)節(jié)兩種材料的共聚比例可得到與血管彈性類似的人工血管支架。共混紡復(fù)合纖維是指采用兩種或兩種以上聚合物材料混合均勻后靜電紡得到的纖維。共混紡復(fù)合纖維可以將天然聚合物優(yōu)良的生物相容性與合成聚合物的機(jī)械性能結(jié)合，解決單一聚合物纖維的血管支架難以同時(shí)滿足生物學(xué)和物理學(xué)性能等問(wèn)題。Niu 等[6]采用兩種聚合物電紡，發(fā)現(xiàn)聚己內(nèi)酯（PCL）和膠原共混電紡纖維交聯(lián)后可以得到機(jī)械性能和生物相容性優(yōu)良的血管組織支架，該支架能夠促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞的黏附和增殖。Yin等[7]制備了膠原/殼聚糖/PLCL 三種材料共混電紡纖維，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)三種聚合物混合比例為 20:5:75 時(shí)能夠得到最接近天然血管的彈性強(qiáng)度，且內(nèi)皮細(xì)胞能夠更多地黏附和鋪展在該血管支架上。

同軸電紡技術(shù)是將兩種互不相溶的聚合物溶液分別裝入一個(gè)同軸裝置的內(nèi)外層中，殼層與芯層溶液以一定的流速在針頭處匯合，在高壓電場(chǎng)下制備得到具有“殼-芯”結(jié)構(gòu)的納米纖維。通過(guò)改變同軸電紡纖維的芯層聚合物可調(diào)節(jié)支架的機(jī)械性能、控制藥物的釋放行為，改變殼層可調(diào)節(jié)細(xì)胞與支架間及支架纖維與纖維之間的表面相互作用。Gluck 等[8]制備了由天然聚合物與合成聚合物組成的“芯-殼”結(jié)構(gòu)同軸電紡纖維，體外實(shí)驗(yàn)證明，該纖維支架在動(dòng)態(tài)的培養(yǎng)環(huán)境下耐受，并可促進(jìn)細(xì)胞向纖維內(nèi)部生長(zhǎng)。另外，同軸電紡技術(shù)可將本不適合紡絲的材料作為芯層制備成纖維。如聚丙三醇癸二酸酯（PGS）具備優(yōu)良的生物學(xué)和力學(xué)性能，但由于其分子量較低導(dǎo)致聚合物溶液黏度較低無(wú)法直接電紡，Ravichandran 等[9]采用同軸共紡法制備了外層為聚（L-乳酸）（PLLA）、內(nèi)層為 PGS 溶液的“殼-芯”結(jié)構(gòu)纖維，在 120 ℃下聚合得到可注射 PGS 短纖維心肌細(xì)胞支架，研究表明該支架能夠顯著促進(jìn)心肌細(xì)胞黏附，具有作為心肌組織血管修復(fù)支架的潛能。盡管同軸電紡技術(shù)對(duì)于制備血管組織工程支架具有以上多方面優(yōu)勢(shì)，但這一技術(shù)的產(chǎn)出率和重復(fù)性低，仍需要進(jìn)一步研究改善[10]。

此外，多通道共紡和多層電紡也用來(lái)改善血管支架性能。多通道共紡是將不同聚合物放入不同噴絲管，可同時(shí)在接收器上收集到由多種纖維混合的復(fù)合電紡纖維，適合于構(gòu)建較復(fù)雜的組織纖維支架。Baker 等[11]采用雙通道共紡制備了聚氧乙烯（PEO）/PCL 電紡纖維支架。PEO 在水溶液中溶解后得到 PCL 的大孔隙率支架，有利于細(xì)胞向支架內(nèi)部生長(zhǎng)。多層電紡又稱分層構(gòu)建技術(shù)，是依次將不同纖維分層沉積在接收器上。這一方法可以調(diào)節(jié)支架材料的多方面性能，如生物相容性、力學(xué)性質(zhì)等，尤其在管狀血管組織支架構(gòu)建中受到越來(lái)越多的關(guān)注。Madhavan 等[12]將 PCL 作為內(nèi)層，膠原-殼聚糖作為外層制備了多層電紡管狀血管支架，并通過(guò)改變 PCL 的厚度和膠原-殼聚糖的交聯(lián)程度來(lái)調(diào)控支架的機(jī)械性能和生物學(xué)性能。Wang 等[13]制備了載肝素電紡聚氨酯/明膠混合管狀血管支架，其中內(nèi)層為聚氨酯，外層為載肝素的明膠，結(jié)果顯示該血管支架不僅力學(xué)性能類似天然血管，并可持續(xù)釋放肝素，防止血栓的形成。

2 載活性成分的聚合物靜電紡纖維作為血管組織支架

靜電紡纖維血管組織工程支架一方面可以通過(guò)其三維多孔的特點(diǎn)，維護(hù)組織細(xì)胞外環(huán)境的穩(wěn)定，為組織血管再生提供必要的條件；另一方面也可以在支架中添加活性成分，直接或間接促進(jìn)血管新生及成熟化。

將活性蛋白如包括血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子（VEGF）、堿性成纖維生長(zhǎng)因子（bFGF）、肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子（HGF）和血小板衍生生長(zhǎng)因子（PDGF）等血管因子載入電紡支架可對(duì)蛋白進(jìn)行保護(hù)和控釋，增強(qiáng)缺血組織的血管化，提高移植血管的成活[14]。Del Gaudio 等[15]將VEGF載入交聯(lián)的明膠電紡纖維，該纖維支架能夠在 28 d 內(nèi)穩(wěn)定、緩慢地釋放 VEGF，有效提高間充質(zhì)干細(xì)胞活性，促進(jìn)其在纖維上的增殖和黏附。1-磷酸鞘氨醇（S1P）可保護(hù)內(nèi)皮細(xì)胞，對(duì)缺血組織損傷具有保護(hù)作用[16-17]。Zhang 和 Song[18]將聚乙二醇-聚乳酸共聚物（PELA）制備為載 S1P 的電紡納米纖維，結(jié)果表明，PELA 電紡纖維可穩(wěn)定地包載和控釋調(diào)控血管生成的核轉(zhuǎn)錄因子S1P，有效保護(hù)蛋白活性，促進(jìn)組織血管修復(fù)和再生?；钚缘鞍着c新型電紡技術(shù)結(jié)合，可以有效模擬天然血管的復(fù)雜功能。Han 等[19]將多噴頭與多層電紡技術(shù)結(jié)合，采用明膠分別與載PDGF的聚乙二醇-聚乳酸-聚己內(nèi)酯共聚物（PELCL）、載 VEGF 的 PLGA、PCL 共紡，制備載雙血管因子的內(nèi)、中、外三層聚合物電紡小口徑血管支架。研究結(jié)果顯示，該血管支架具抗血栓，防止內(nèi)膜增生，促進(jìn)支架周圍血管生成的作用，并且血管支架機(jī)械性能與天然血管相似，是具有前景的小口徑血管替代物。

血管生長(zhǎng)因子或其他能夠募集血管細(xì)胞的活性蛋白價(jià)格昂貴、容易失活[20]。而載基因的電紡血管組織支架可以通過(guò)持續(xù)釋放基因轉(zhuǎn)染周圍細(xì)胞，使自身組織細(xì)胞表達(dá)所需活性蛋白，發(fā)揮組織血管修復(fù)作用，引起越來(lái)越多的關(guān)注[21]。Luu 等[22]研究發(fā)現(xiàn)電紡纖維可以有效保護(hù)質(zhì)粒 DNA 的結(jié)構(gòu)和活性，長(zhǎng)時(shí)間使其具有較高水平的細(xì)胞轉(zhuǎn)染率，由此證明電紡纖維可維持 DNA 的結(jié)構(gòu)和活性。為提高基因轉(zhuǎn)染效率，Chen 等[23]制備攜載質(zhì)粒-磷酸鈣復(fù)合粒子的 PELA 電紡纖維。體外實(shí)驗(yàn)表明該控釋體系可以有效保護(hù)質(zhì)粒的結(jié)構(gòu)和生物學(xué)性能，并通過(guò)加入聚乙二醇（PEG）將質(zhì)粒持續(xù)轉(zhuǎn)染的時(shí)間控制在1 周到1 個(gè)月的范圍，并且隨著纖維的降解，質(zhì)粒持續(xù) 4 周緩慢穩(wěn)定釋放，轉(zhuǎn)染靶部位細(xì)胞，模擬兩種血管生長(zhǎng)因子體內(nèi)協(xié)同作用，有效促進(jìn)局部成熟血管密度的增加。

除了活性蛋白和基因，將一些具補(bǔ)氣血功效的中藥，如黃芪、當(dāng)歸、丹參、莪術(shù)等載入電紡支架能夠通過(guò)抗氧化作用保護(hù)內(nèi)皮細(xì)胞，促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞增殖，且體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明可促進(jìn)組織細(xì)胞分泌 VEGF 等血管生長(zhǎng)因子[24-25]。Wang 等[26]將黃芪和當(dāng)歸的有效成分黃芪甲苷（AT）和阿魏酸（FA）同時(shí)載入納米聚合物靜電紡纖維中，考察控釋雙中藥體系對(duì)組織血管修復(fù)的促進(jìn)作用。結(jié)果表明，AT 和 FA 能夠協(xié)同促進(jìn)血管相關(guān)細(xì)胞的生長(zhǎng)、遷移以及新生血管成熟化。

3 展望

靜電紡絲技術(shù)制備出的納米纖維支架，特征類似于細(xì)胞外基質(zhì)，有利于細(xì)胞的黏附、增殖和組織的長(zhǎng)入，材料選擇范圍廣泛，物理學(xué)性能可調(diào)，并可同時(shí)包載控釋多種活性成分，是非常具有潛力的血管組織工程支架。同時(shí)，各種具有特殊功能和可精確控制纖維參數(shù)的電紡技術(shù)不斷出現(xiàn)，更為血管組織支架的臨床應(yīng)用帶來(lái)了新的希望。為了構(gòu)建具有更加良好的生物學(xué)和力學(xué)性能的血管組織工程支架，我們?cè)谔岣唠娂徏夹g(shù)參數(shù)可控性和多樣性的同時(shí)，可繼續(xù)努力探索將電紡血管支架向三維化和纖維排列可控化方向發(fā)展，從組織水平、細(xì)胞水平、甚至是分子水平上控制血管支架上各功能細(xì)胞的細(xì)胞行為和功能化組織的形成。

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國(guó)家自然科學(xué)基金（51073130）

李孝紅，Email：xhli@swjtu.edu.cn

2014-03-26

10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2014.06.008