【综述】大口径人工血管材料变迁与生物相容性提升策略和性能评价

文摘   2024-12-06 17:07   上海  

感谢关注公众号

欢迎转发和分享

RECOMMENDATION


综述



大口径人工血管材料变迁与生物相容性提升策略和性能评价

朱高伟,林婧,王璐

DOI: 10.19886/j.cnki.dhdz.2023.0337

引用格式: 朱高伟,林婧,王璐. 大口径人工血管材料变迁与生物相容性提升策略和性能评价[J]. 东华大学学报(自然科学版), 2024, 50(6): 37-45.
ZHU G W, LIN J, WANG L. Material variation and biocompatibility enhancement strategy and performance evaluation of large-diameter artificial blood vessels [J]. Journal of Donghua University (Natural Science), 2024, 50(6): 37-45.

原文链接

1

摘要

大口径人工血管虽已应用于大血管重症疾病,但仍存在术后血栓形成、再狭窄等并发症,开发生物相容性优良的人工血管仍具挑战性。从人工血管主体材料发展历程、商用人工血管材料、新型人工血管材料3方面综述大口径人工血管主体材料的变迁。简要介绍人工血管生物相容性的提升策略(改变材料表面形貌或纤维集合体的拓扑结构;材料表面引入生物活性物质),从材料表面引入生物活性物质的角度出发,总结白蛋白、明胶和胶原蛋白涂层提升人工血管生物相容性的机制;讨论涂层人工血管生物相容性、血液渗透性、顺应性对临床使用效果的影响。最后对人工血管的性能和功能提出展望,指出人工血管涂层技术和涂层物质未来将继续聚焦生物工程、抗凝涂层、新材料和细胞外基质等方面,以改善临床使用效果。

2

研究背景

心血管疾病是全球主要的致死疾病,死亡率远高于癌症和其他疾病。人工血管在替换人体严重狭窄或病变的血管中发挥着重要作用。理想的人工血管应具备良好的生物相容性、力学性能及顺应性,植入人体后能够抗血栓,并且具有良好的远期通畅率。

人工血管已用于多种心血管疾病的治疗。按口径大小分为大、中、小三种规格,10 mm以上为大口径,6~10 mm为中等口径,6 mm以下为小口径。人工血管发展至今已有近70年的研究历史,经过不断的推陈出新,目前大口径人工血管已有商业产品,但以进口产品为主。

材料的广泛应用促进了血管成型工艺的发展,纺织、挤出、静电纺丝等制造工艺均已在人工血管开发中得到应用。目前临床上最常用的聚酯(PET)人工血管由纺织工艺制备而成,易于形成血栓是PET人工血管移植失败的主要问题。抗血栓的根本在于提高人工血管的生物相容性。涂层技术的出现不仅替代了早期的预凝处理,还增强了PET人工血管的防渗漏性能及生物相容性,实现了更好的临床效果。涂层技术及涂层物质(白蛋白、明胶和胶原蛋白等)直接影响人工血管的临床使用效果。除生物相容性以外,人工血管的血液渗透性、顺应性和耐久性共同决定了术后血运功能的恢复程度。

3

商用人工血管材料

4

大口径人工血管生物相容性提升策略

提高人工血管生物相容性的方法有两大类:一是改变材料表面形貌或纤维集合体的拓扑结构,但不添加任何辅助性物质;二是将生物活性物质通过物理或化学方法整合到血管材料上,以促进细胞附着、增强材料与周围组织的相互作用,并减少血栓形成。

改变材料表面形貌是通过对表面粗糙度、形貌、模量和多孔结构等物理性质的调控,为细胞构建适合黏附生长的表面,如表面微纳结构化、刻蚀处理。设计仿生微纳米表面结构,模拟细胞外基质的三维网络结构,以实现特定的生物相容性和功能性。通过调整纤维结构、增加微孔结构等对ePTFE人工血管的结构进行优化,可改善ePTFE人工血管的柔韧性、透水性和生物相容性。通过调节微纳米纤维表面拓扑结构调节巨噬细胞极化,促进巨噬细胞表型从促炎M1型到促愈合M2型的转换,以减轻人工血管移植后的免疫反应。

材料表面引入生物活性物质的方法以涂层为主,胶原蛋白、明胶和壳聚糖等天然成分通常采用涂层的方式结合在人工血管表面。黏附蛋白、生长因子或药物通常借助化学桥接体或药物递送系统引入到材料表面,以实现控制释放。传统的ePTFE人工血管表面较为光滑,缺乏生物活性,容易导致血栓形成和感染等问题。研究人员通过表面改性、生物活性物质的引入等方法,使ePTFE人工血管表面增强细胞附着和生长能力。通过将药物载体引入ePTFE人工血管中,可以实现药物的缓释释放,从而减少血栓形成、抑制炎症反应。经过不断的研发和改进,人工血管涂层已经在临床上得到广泛应用。PET人工血管和ePTFE人工血管已有商业化的涂层产品,具有更好的生物相容性。

5

 大口径人工血管涂层材料

功能涂层是提高人工血管生物相容性的有效手段,功能涂层最初旨在避免采用自体血液预凝,随后逐渐发展成具有抗血栓和促进内皮细胞生长等功能。应用于人工血管的功能涂层技术包括浸渍、沉积、交联法、溶胶-凝胶法和热喷涂等,涂层物质包括肝素、聚氧化乙烯(PEO)、白蛋白、磷酰胆碱和弹性蛋白聚合物等。ePTFE人工血管常用的涂层物质是肝素和碳层,肝素涂层的主要作用是提高ePTFE人工血管的抗血栓性能,改善ePTFE人工血管与周围组织的生物相容性。氟碳聚合物涂层可减少血小板在ePTFE表面的黏附。人工血管内壁经碳涂层处理,可降低其与血流的摩擦阻力,加快血流接近吻合口时流速,这种力学性能的改善可提高人工血管的通畅率。此外,固定原纤维蛋白-1片段或多巴胺可增强ePTFE的生物相容性。目前人工血管最经济有效的涂层材料主要是白蛋白、明胶和胶原蛋白。

6

总结与展望

PET和ePTFE等材料已应用于大口径的人工血管中并取得了较好的临床效果,人工血管涂层工艺及涂层物质极大地提升了人工血管的临床使用效果,白蛋白、明胶和胶原成为人工血管涂层的必备成分。人工血管的长期使用效果和患者的生命安全受人工血管生物相容性、血液渗透性和顺应性的影响,涂层技术为人工血管的发展和应用提供了重要支持。

未来需要进一步改善人工血管的性能和功能。人工血管材料的选择将更趋向于生物相容性突出的材料,如生物可降解材料、生物活性材料、脱细胞生物基材料,以避免术后血栓形成、炎症等问题,便于快速与天然血管融合。人工血管成型工艺将趋于多样化和功能化,3D打印技术有望应用于制备人工血管。在满足人工血管防渗血、耐穿刺、耐久性要求的同时,实现人工血管顺应性与天然血管的匹配。功能化表面涂层修饰将成为未来趋势,如负载抗钙化药物的人工血管应用于血管动脉粥样硬化患者,具有抗炎、抗菌功能的人工血管应用于伤口易感染病人。总之,人工血管涂层技术和涂层物质的未来发展将继续聚焦生物工程、抗凝涂层、新材料和细胞外基质等方面,以改善患者的治疗效果。

扫码关注期刊更多信息

往期推文:

2024年度《东华大学学报(自然科学版)》封面大赏

https://mp.weixin.qq.com/s/-VhCC3xb2aIfbqfUn7kUDQ

热烈祝贺《东华大学学报(自然科学版)》编委团队36位学者入选2024年全球Top2%顶尖科学家榜单

https://mp.weixin.qq.com/s/y47cIr-DtGvPX24luSQArw

“绿色·生态·低碳”主题专刊征稿启事!

https://mp.weixin.qq.com/s/NqzfcoPVS7TyOvAGQ_3COw 

全网热议的“上暖下凉”穿搭,真相尽在这本期刊!

https://mp.weixin.qq.com/s/QbOHtJJKdNGzLV6q9DZ1jA 


扫二维码

关注我们

点击“阅读原文”查看更多文章!

东华大学期刊中心
东华大学期刊中心现有期刊包括《东华大学学报(自科版)》《东华大学学报(英文版)》《东华大学学报(社科版)》《纺织服装教育》《产业用纺织品》《国际纺织导报》和《中国服饰》,中心依托学校纺织和材料“双一流”建设学科,为学者专家提供交流平台。
 最新文章