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1、人工血管研究调研,2012-12-05,目录,1.人工血管研究的背景及意义2.人工血管的发展历程3.人工血管的要求及影响因素4.人工血管的制备方法5.人工血管的研究举例6.总结及展望,人工血管研究的背景及意义,1.心血管疾病是世界三大杀手之一；2.外伤 ，动脉硬化和心脑血管疾病等原因引起的血管损伤，单纯药物无法痊愈；3.自身的血管很难成为移植替代血管：血管大小，自带病症，数量限制；4.同种异体或异种血管排异反应强烈；,通过人工的手段构建血管是目前主要的解决方法,人工血管的发展历史,1952,20世纪60年代,1970,1978,1982,维纶制成有通透性,Voorhees,非织物膨体聚四氟乙烯
2、,William Gore,可吸收纤维组分 复合壁血管,Wesolow,带有网孔的人造血管,Voorhees，Blakemore，Jaretzki,内皮细胞种植,Herring,ePTFE 、PU 机织针织,20世纪,人工血管的发展历程,20世纪初，各国学者首先采用金属、玻璃、聚乙烯、硅橡胶等材料制成的管状物；2. 1952年 Voorhees首先研究将维纶制成人造血管，改变以往人工血管管壁的无通透性；3. 1970年Mansifield等首次尝试了种植内皮细胞实验，为临床内皮细胞的种植开创了先河。,人工血管的研究大致经历4 个发展阶段：生物组织型、合成型 、生物混合型和组织工程型人工血管。,
3、临床应用人工血管,涤纶与周围组织反应较强，血小板凝集的范围大，抗血栓形成性较低，生物相容性差，炎性反应重，因此常用作为大、中口径的动脉移植。（需预凝）,膨体聚四氟乙烯人工血管使用前不必预凝，比其他血管具有更大的抗血栓性，与周围组织反应较轻，能承受压力，血管通畅，能耐受反复穿刺，使用时间长，但顺应性较差，通畅率较低。,临床应用人工血管,聚氨酯由于具有优良的顺应性、生物相容性以及一定的抗凝血性，可以大大减少新内膜增生，合理的孔径和孔隙率的三维结构，能增强内皮细胞在支架上的黏附、长入和铺展，加速内皮细胞化。,内壁修饰,1.无活性内膜（碳）；2.1995年, Nojiri等制成包括三层结构、管径为3m
4、m的人造血管,外层为涤纶(促使邻近组织的相互结合) ,中层为无孔的聚胺基甲酸乙酯(形成光滑面) ,内层为甲基丙烯酸羟乙酯(水凝胶)和苯乙烯(防止血栓形成)；3.用蛋白质涂在管腔内壁,常用者为白蛋白、明胶和胶原蛋白等；4.将肝素或尿激酶等抗凝剂,溶入人造血管的内壁,以制止术后血栓形成；（磺酸化，等离子体表面改性等）,人工血管的要求及影响因素,理想的人造血管，应具备以下特点：具备有良好的组织相容性和血液相容性；与宿主健康血管相近似的动力学性能；能与所替代的血管愈合成一体，有血管内膜长入；不易形成血栓，长期保持通畅；不易发生退行性改变，性能稳定；耐受血管内压力，不易形成动脉瘤；受压后不易变形或扭折成
5、角；不引起异物反应或排斥反应；抗感染；缝合容易，不易撕裂； 能选择不同的口径和长度。,血管组织工程,传统治疗中主要应用合成材料例如涤纶等进行血管替代治疗，由于术后栓塞，感染，钙化等并发症发生率较高，因此临床治疗效果并不理想。合成材料植入体内后不具有生长能力，不能满足小儿患者的生长发育要求，多数患者需要根据身体发育情况进行更换。小口径人造血管（内径6 mm ）的研究由于其顺应性及通畅性等多方面问题尚未解决。,血管组织工程是指利用血管壁正常细胞和可降解的生物材料进行制备、重建和再生血管替代材料的学科。,组织工程血管组成,组织工程血管主要由血管支架和种子细胞组成，并且具备如下条件：具有或模拟体内血管
6、壁结构。具有高度的生物相容性，血栓以及免疫排斥反应发生率极低。具有生物学特性。具有力学特性。,用于构建血管组织工程的血管支架材料,血管组织工程支架材料要求与血液相容性好的生物活性材料，不仅具有生物活性，同时还要具有抗凝血和抗容血作用。,用于构建血管组织工程的种子细胞,1.自体血管壁细胞,自体血管壁细胞被认为是最佳的种子细胞，能够避免内皮细胞强烈的同种异体抗原性。,由于受到来源匮乏，体外扩增老化率高、取材具有侵入性损伤取材部位，以及病患或老年人细胞质量低等限制，临床无法广泛应用。,用于构建血管组织工程的种子细胞,胚胎干细胞是一种多能干细胞，分布在囊胚内细胞团中，具有体外定向诱导分化功能。,2.胚
7、胎干细胞,目前可获取的胚胎干细胞数量较少，体外培养容易分化失去活性，并且作为异体细胞，在移植中容易发生免疫排斥反应。,用于构建血管组织工程的种子细胞,违反伦理,由体细胞诱导而成的干细胞，具有和胚胎干细胞类似的发育多潜能性。,用于构建血管组织工程的种子细胞,骨髓间充质干细胞,2004年，Oswald等发现骨髓间充质干细胞能够转化为血管内皮细胞，并且具有上皮细胞特异性表现，体外培养能够形成毛细血管样结构。随后，Pittenger等证实了骨髓间充质干细胞不仅具有分化成血管平滑肌细胞，并参与平滑肌细胞重建。,构建组织工程化血管的方法,1.全生物化组织工程血管将天然血管经过特殊处理将实质细胞去除, 保留
8、相对完整的细胞外骨架结构，是良好的组织工程血管支架材料。2.非血管细胞的组织工程化血管1993年Langer等将大鼠自体背筋膜缠绕于硅胶棒后植入大鼠大腿中部皮下培养4周后分离硅胶棒，制成纤维胶原管经抗凝血处理后接入股动脉，术后移植管通畅。3.可吸收材料支架的组织工程血管,表面孔径大小,Function al Polymer Scaffolds for Blood Vessel Tissue Engineering,Scaffold pore size plays a critical role in the infiltration of the cells into the structur
9、e.,Nazely Diban, Dimitrios F. Stamatialis *,Macromol. Symp. 2011 , 309/310, 9398,SMC preferentially attach to pore sizes between 38150mm. In contrast, microvascular EC form a connected multicellular lining on scaffolds with pores 38mm.,表面成分和修饰,Zuwei Ma, Masaya Kotaki et al. Biomaterials, 2005, 26, 2
10、5272536,Heyun WANG, Jintang GUO et al. Front. Chem. Sci. Eng. 2011, 5(3): 392-400,PU; crosslinked gelatin scaffold; crosslinked gelatin-heparin scaffold (heparin, 1 wt- % ),基体自身带电性质,In order to obtain cell resisted to a shear stress, a new culture surface modification based on polyelectrolyte adsorp
11、tion was developed 25. This method showed endothelial cell adhesion on polyelectrolyte multilayer treated glasses 26 and ePTFE 27. We had seeded human umbilical vein endothelial cells on the polyelectrolyte multilayer luminal surface arteries and observed endothelial cell morphology close to those o
12、bserved in native arteries 23.,内壁的性质:一般认为,携负电荷的内壁可抑制血小板的附着,但对同样携负电荷的EC却有排斥作用。,Patrick Menu, Jean-Franois Stoltzet al. Bio-Medical Materials and Engineering, 2012, 22, 17-20,细胞形态,Vascular Mechanobiology: Endothelial Cell Responses to Fluid Shear Stress,Joji Ando, MD; Kimiko Yamamoto, MD. Circulation
13、Journal, 2009, 73, 1983-1992,Endothelial cells (ECs) lining blood vessel walls respond to shear stress, a fluid mechanical force generated by flowing blood, and the EC responses play an important role in the homeostasis of the circulatory system.,表面微纳结构,Micropatterning of three-dimensional electrosp
14、un polyurethane vascular grafts,micropatterned, small-diameter polyurethane grafts capable of promoting the formation of aligned endothelial cell monolayers.,Pimpon Uttayarat, Peter I. Lelkes et al. Acta Biomaterialia, 2010, 6, 42294237,无支架人工血管,Human umbilical vein SMCs and skin fibroblasts were cul
15、-tured for 30 days, at which time both cell types had formed cohesive cellular sheets composed of cells and ECM, which could be manually peeled from the culture flasks.,John D. Kakisis, Athens. Greece. et al. Journal of Vascular Surgery, 2005, 41, 349-354.Sumpio BE. Austin, TX: RG Landes Publishers,
16、 1993, p.1-134.,类模具法人工血管,John D. Kakisis, Athens. Greece. et al. Journal of Vascular Surgery, 2005, 41, 349-354.N. LHeureux, L. Germain, R. Labbe, F.A. Auger. J Vasc Surg, 1993, 17, 499-509,The inner surface of the graft was seeded with bovine ECs and the outer with bovine adventitial fibroblasts. A
17、 Dacron mesh was embedded into the wall to enhance the mechanical strength of the model.,无支架细胞操控,Morphological and Histological Evaluations of 3D-Layered Blood Vessel Constructs Prepared by Hierarchical Cell Manipulation,Michiya Matsusaki, Mitsuru Akashi et al. Journal of Biomaterials Science, 2012, 23, 6379,总结与展望,血管生物支架存在强烈的免疫排斥反应也是需要解决的一个难题人工合成材料的优点是强度、降解速度、微结构和渗透性均可在生产过程中进行控制；而天然材料的优点则在于包含有生物信息( 如特殊的氨基酸序列) ，可促进细胞吸附或使细胞保留分化功能。,人工血管置换病变静脉和直径小于6 mm的小口径动脉后，通畅率很低.,组织工程相关理论基础仍待研究，实现组织工程血管临床应用还有一段距离，很多问题还无法解决。,展望,人工血管的制备，组织工程血管的设计需要：材料结构流体力学生物多学科共同参与，才有可能较快实现临床应用,Thanks for Your Attention,