摘要

近期，北航樊瑜波教授课题组报道了不同编织孔隙率蚕丝纤维骨架对小口径人造血管力学性能和体内血管再生和长期通畅的影响规律，基于以上规律，研发的小口径人造血管可保持2年通畅并具有血管收缩功能。相关研究以“The Regulatory Effect of Braided Silk Fiber Skeletons with Differential Porosities on In Vivo Vascular Tissue Regeneration and Long-Term Patency”为题发表在Research上(Research, 2022, 9825237, DOI: 10.34133/2022/9825237)。

 

研究背景

心血管类疾病是威胁人类身体健康的最常见疾病，其发病率在我国居于首位。全世界每年约1500万人死于心脑血管疾病，我国每年约300万人死于心血管疾病，占全球同类疾病死亡人数的五分之一，且心血管病患者人数持续增加。冠心病、外周动脉闭塞性疾病、慢性肾功能衰竭建立血液透析通路以及小儿心血管疾病等，这些疾病在血管临床外科大多需要小口径血管（直径< 6mm）进行动静脉移植手术。自体血管（大隐静脉、胸廓内动脉和桡动脉）一直是小口径血管移植的“金标准”。然而，有些需要血管移植的患者无合适的自体血管可以替换，这时就需要人造血管作为替代品上阵。人造血管已经有五六十年的历史，大口径人造血管已经成功应用于临床，而小口径人造血管的急性血栓和长期通畅率低等问题至今尚未解决。为了解决这一世界性难题，全球多个实验室都在使用不同的生物材料和制备方法研发小口径人造血管。编织法由于其可提供合适的力学性能和结构稳定性以及可控的组织再生能力在小口径人造血管制备方面的应用具有广阔前景。然而，目前编织孔隙率对血管力学性能的调控规律以及体内血管再生和长期通畅率的影响规律尚需深入研究。

 

研究进展

北航樊瑜波教授团队首先通过数值仿真的方法，建立包含不同编织孔隙率的人造血管模型，模拟人体正常血压下人造血管的受力变形情况，从而得到了编织孔隙率对血管生物力学特性的影响规律。结果表明，人造血管的顺应性与编织的孔隙率正相关，即编织孔隙率越大，血管整体的顺应性也越大（图1）。利用编织丝素蛋白纤维骨架结合硫酸化丝素蛋白海绵层制备了小口径人造血管。通过搭建小口径人造血管力学性能评测平台评估了编织孔隙率对血管顺应性、拉伸强度、缝合强度和抗弯曲性能等力学性能的调控规律（图2）。调控编织结构的微结构可以任意调控血管的力学性能，可满足其在临床上不同位置的力学性能需求。

图1编织孔隙率对血管顺应性影响的仿真分析

 

图2 不同编织基小口径人造血管的力学性能表征

通过大鼠腹主动脉模型评估了不同编织孔隙率对体内血管再生和长期通畅率的影响规律。体内结果表明编织孔隙率可调节血管移植后的渗血性能、细胞浸润和新生内膜形成。中孔隙率血管更利于血管浸润巨噬细胞并向M2型巨噬细胞极化（图3）。

图3低和中孔隙率血管的细胞化和炎症反应

由于高孔隙率血管容易导致渗血，低孔隙率血管容易导致血管内膜增生和堵塞，所以中孔隙率血管用于不同时间点尤其是长时间点的跟踪观察。体内结果发现，中孔隙率血管具有类似天然血管的仿生结构，在植入体内后立即具有明显的搏动，生成的血管平滑肌细胞沿周向排列，类似于天然血管平滑肌细胞的排布（图4）。

图4 新生平滑肌细胞和细胞外基质沿着周向分布

本工作主要研究了不同编织孔隙率蚕丝纤维骨架对血管力学性能和体内血管再生和长期通畅率的影响规律（图5），基于以上规律，研发的小口径人造血管可保持2年通畅并具有血管收缩功能（图6），有望打破小口径人造血管长期通畅率低这一世界难题。

图5 不同编织孔隙率蚕丝纤维骨架对小口径人造血管力学性能和体内血管再生和长期通畅的影响规律

 

图6 血管移植2年后仍具有收缩功能

 

未来展望

通过优化编织孔隙率调控血管力学性能，进而影响血管植入后血管细胞的动态响应，对于构建具有生物力学和力学生物学适配性良好的小口径人造血管创新具有重要的指导意义。

 

 

 

 

 

作者简介

北京航空航天大学医学科学与工程学院丁希丽助理教授

硕士生导师，2019年6月毕业于北京航空航天大学生物医学工程专业，博士期间在加州大学洛杉矶分校生物工程系联合培养。主要从事小口径人造血管的研发和血管内膜增生的机理研究，在Research，Biomaterials，JCI insight，Theranostics等国际高水平期刊发表论文20余篇，申/获发明专利4项，参与撰写英文专著3篇。主持国家自然科学基金青年基金和北京航空航天大学青年拔尖人才支持计划项目。曾获北京航空航天大学“研究生十佳”，北京航空航天大学优秀博士学位论文等荣誉称号。目前担任Medicine in novel technology and devices 期刊编辑。

 

 

北京航空航天大学生物与医学工程学院刘海峰教授

博士生导师，教育部新世纪优秀人才，中国解剖学会血管分会委员、中国研究型医院学会运动医学专业委员会委员、中国生物材料学会康复器械与生物材料分会委员。主要从事生物医用材料的研究开发和临床应用、干细胞的培养与分化、药物控释和基因载体的研究。先后主持中央在京高校重大成果转化项目、国家科技支撑计划课题和多项国家自然科学基金项目。在本领域主流期刊发表SCI论文80余篇，获得授权国家发明专利3项。

 

 

北京航空航天大学医学科学与工程学院樊瑜波教授

北京航空航天大学生物与医学工程学院院长、医学科学与工程学院院长、医工交叉创新研究院院长，生物力学与力学生物学教育部重点实验室主任、北京生物医学工程高精尖中心主任。国家自然科学基金创新群体和科技部重点领域创新团队带头人。美国医学生物工程院（AIMBE）、国际医学与生物工程科学院（IAMBE）、世界生物材料学会 (FBSE) 、国际医学物理与工程科学联盟(IUPESM) 会士。中国生物医学工程学会第七、第八届理事长，国务院生物医学工程学科评议组成员。近年来，致力于生物力学、力生物学及其与生物材料交叉融合的基础和应用研究，从交叉学科角度研究疾病与健康相关问题、开展新型医疗器械基础及关键技术、医疗器械科技发展战略研究。发表SCI论文500余篇，H指数69，Elsevier生物医学工程高被引学者，授权发明专利200余项。