心臟瓣膜支架

1、心臟瓣膜支架材料進(jìn)展心臟瓣膜支架材料進(jìn)展（南通大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 高分子材料與工程132 朱夢(mèng)成 1308052064）摘要心臟瓣膜損壞或缺陷所導(dǎo)致的疾病已成為危害人類健康的主要疾病之一。由纖維材料成型技術(shù)制備的組織工程支架具有良好的可設(shè)計(jì)性和較好的力學(xué)和生物性能，逐漸成為組織工程心臟瓣膜支架的主要制備方法。全文重點(diǎn)介紹了纖維基組織工程心臟瓣膜支架的研究進(jìn)展，對(duì)采用針織、非織造以及靜電紡絲制備技術(shù)得到的微納米纖維基支架的各自特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析，由此表明具有優(yōu)良生物相容性和可控力學(xué)性能的三維多孔納米纖維基支架將是組織工程心臟瓣膜支架的發(fā)展方向。當(dāng)前應(yīng)用于臨床的瓣膜置換物(生物瓣和機(jī)械瓣)都不同程

2、度的存在著一定缺陷。組織工程心臟瓣膜為理想生物瓣膜替代物的出現(xiàn)帶來了希望。組織工程心臟瓣膜的構(gòu)建包括：支架的選材及制備；種子細(xì)胞的選擇、分離與培養(yǎng)；種子細(xì)胞在支架上的種植與培養(yǎng)三部分。現(xiàn)重點(diǎn)綜述近年來國(guó)內(nèi)外在組織工程心臟瓣膜支架材料研究上的新進(jìn)展新突破， 展望了支架材料發(fā)展的方向和前景。在美國(guó)，心臟瓣膜疾病每年直接導(dǎo)致約20 000人死亡，實(shí)施的心臟瓣膜替換術(shù)超過60 000例，在英國(guó)，到2018年，預(yù)計(jì)有超過400萬年齡在7584歲的人患有心臟瓣膜疾病，而到2028年，這個(gè)數(shù)字將增加一倍。在西方國(guó)家，2.5的人患有瓣膜疾病。主動(dòng)脈瓣和肺動(dòng)脈瓣是最常見的受損心臟瓣膜手術(shù)，并主要通過人工瓣膜替換

3、來治療人工瓣膜移植物包括機(jī)械式人工心臟瓣膜、戊二醛固定的異種移植物和冷凍保存的同種異體移植物。然而經(jīng)過最初手術(shù)替換10年后，5060的病人由于出現(xiàn)與替換物相關(guān)并發(fā)癥而需要再次能不全或瓣膜病變機(jī)械瓣膜會(huì)產(chǎn)生感染和血栓并發(fā)癥，因此需要終生抗凝治療，但又可能導(dǎo)致大出血，生物瓣膜抵抗。結(jié)構(gòu)損傷能力較差，耐久性有待提高，目前生物瓣膜能夠持續(xù)使用時(shí)間為1015年。這兩種人工瓣膜在體內(nèi)均不具備生長(zhǎng)、修復(fù)和重塑能力，不適合兒科患者。然而，全球新生兒中，大約1患有先天性心臟缺陷，需要進(jìn)行外科心臟手術(shù)，包括心臟瓣膜替換。因此，研發(fā)更適合的材料和方法以替換病變心臟瓣膜是十分重要的。近年發(fā)展起來的組織工程心臟瓣膜已經(jīng)

4、成為治療瓣膜疾病的主要研究方法。而以紡織技術(shù)制備的纖維基組織工程支架因其良好的可設(shè)計(jì)性和力學(xué)以及生物性能，逐漸成為組織工程心臟瓣膜支架的主要制備手段和技術(shù)。1人體心臟瓣膜的構(gòu)造特點(diǎn)心臟瓣膜的生理目的是保持血液?jiǎn)蜗?、非梗阻的流?dòng)。心臟瓣膜由內(nèi)皮細(xì)胞、間充質(zhì)細(xì)胞和主要成分為膠原、彈性纖維以及糖胺聚糖的細(xì)胞外基質(zhì)組成。主動(dòng)脈瓣的解剖結(jié)構(gòu)為1個(gè)瓣環(huán)和3個(gè)半月形的尖瓣。3個(gè)半月形瓣葉由3個(gè)不同層組成：纖維層，主要由卷曲、密密麻麻的膠原蛋白組成；心室層，主要由膠原組織組成，帶有徑向取向的彈性纖維；松質(zhì)層，主要由糖胺聚糖組成。心臟瓣膜獨(dú)特的結(jié)構(gòu)保證了正常的瓣膜功能。尖瓣心室層圈l主動(dòng)脈瓣膜的3層結(jié)構(gòu)尖瓣在血

5、液從心臟流出時(shí)打開，在背部受到很小的壓力時(shí)即關(guān)閉，人的一生要啟閉瓣膜約30億次。心臟瓣膜在體內(nèi)永久地暴露在12080mmHg的高壓下，心室層暴露在脈動(dòng)的層流中，而纖維層暴露在動(dòng)蕩的低剪切流動(dòng)中。2組織工程心臟瓣膜支架的要求組織工程心臟瓣膜支架需要在結(jié)構(gòu)和功能上滿足體內(nèi)的需求。在結(jié)構(gòu)上，支架要模擬天然瓣葉形狀，引導(dǎo)組織生長(zhǎng)，要有較大的表面積以提高細(xì)胞吸附能力和提供更多的吸附位點(diǎn)，同時(shí)，還要有相互貫通的三維多孔體系，以傳送營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。在功能上，支架需要具有良好的力學(xué)性能以提供抵抗動(dòng)脈壓力的力學(xué)強(qiáng)度和完整性，而且要有良好的生物相容性口，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間可自行降解，不產(chǎn)生有害物質(zhì)。3組織工程心臟瓣膜支架材

6、料組織工程心臟瓣膜支架材料有異種或異體支架和天然或合成材料支架兩種。研究表明，以脫細(xì)胞的細(xì)胞外基質(zhì)為主的異種或異體支架植入體內(nèi)后會(huì)出現(xiàn)鈣化和免疫反應(yīng)以及瓣膜小葉增厚。天然材料生物相容性好，能吸附細(xì)胞膜上的整合素。整合素能刺激細(xì)胞與細(xì)胞、細(xì)胞與基質(zhì)之間的信號(hào)機(jī)制以改變細(xì)胞功能，重塑細(xì)胞、組織和細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)，并參與釋放生長(zhǎng)因子，但天然材料的力學(xué)和加工性能較差，需要通過交聯(lián)固定，而交聯(lián)介質(zhì)又會(huì)造成細(xì)胞毒性。合成材料具有良好的力學(xué)和降解性能，但生物性能不足。因此，現(xiàn)階段大多結(jié)合兩者的特點(diǎn)，將天然材料和合成材料混合使用。4纖維基組織工程心臟瓣膜支架結(jié)構(gòu)與性能組織工程化心臟瓣膜的概念首先于1995年在文

7、獻(xiàn)中提出。制備有助于細(xì)胞黏附、增殖的高度貫穿多孔和較大表面積的三維支架是目前研究的重點(diǎn)。紡織成形技術(shù)可以生產(chǎn)出精細(xì)化的纖維基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備和再生產(chǎn)過程可以有效調(diào)控以重塑損傷的心臟瓣膜的生物力學(xué)性能。因?yàn)榧喚€中的纖維以及織物中的紗線之間沒有直接的黏合點(diǎn)，當(dāng)織物受到應(yīng)力時(shí)，通過纖維的滑移來抵抗變形，提高了纖維織物的力學(xué)性能。因此，相較一般的膜材料，纖維織物是一種輕質(zhì)、高強(qiáng)、高彈的特殊材料，可以應(yīng)用在心臟瓣膜上，其獨(dú)特的可折疊性可以防止在瓣膜屈曲過程中出現(xiàn)脫層問題，并且能抵抗血液流動(dòng)造成的損傷，植入人體之后，即使變形的瓣葉也能承受支架非對(duì)稱定位所造成的應(yīng)力。在細(xì)胞黏附方面，可以通過

8、調(diào)節(jié)纖維或紗線的直徑和織物的孔隙率來提高細(xì)胞的黏附和向內(nèi)生長(zhǎng)能力，并通過特殊設(shè)計(jì)和紡織成型技術(shù)，可以形成三維蓬松結(jié)構(gòu)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，從而模擬天然瓣膜的形態(tài)。4.1非織造結(jié)構(gòu)非織造結(jié)構(gòu)將纖維或者長(zhǎng)絲進(jìn)行定向或隨機(jī)排列形成纖網(wǎng)，然后用不同的方法進(jìn)行加固。采用非織造方法可以制備具有一定規(guī)格的網(wǎng)片，通過后處理形成瓣葉形狀。在結(jié)構(gòu)上，纖維之間通過物理方法直接黏合，其強(qiáng)度不如紗線之間相互交織、編結(jié)而形成的結(jié)構(gòu)，同時(shí)，纖維多為微米尺度，網(wǎng)片為二維形態(tài)，不易形成復(fù)雜的三維多孑L結(jié)構(gòu)，不利于細(xì)胞黏附、向內(nèi)生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的傳輸。首例組織工程心臟瓣膜支架由SHINOKA等在1995年用聚乳糖機(jī)織網(wǎng)片周圍包覆兩個(gè)非織造聚

9、羥基乙酸(PGA)網(wǎng)，通過種植成纖維細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞重建單個(gè)肺動(dòng)脈瓣，并在幼年羊模型中進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，瓣膜同步打開，沒有血栓形成，但隨著時(shí)間的增加，有少量的狹窄和回流。4.2針織結(jié)構(gòu)針織物通過線圈相互串套成圈形成織物。針織物具有更好的延展性，在有限的厚度范圍內(nèi)提供更多孔洞，高度有序排列的線圈結(jié)構(gòu)使其具有良好的力學(xué)性能。針織物的孔隙率取決于所使用的纖維或者紗線的粗細(xì)以及線圈結(jié)構(gòu)。4.3靜電紡絲膜結(jié)構(gòu)靜電紡絲技術(shù)是溶液或熔體在高壓電場(chǎng)作用下從噴絲口射出，在空氣中凝固形成長(zhǎng)絲，收集在接收器上形成靜電紡絲膜。靜電紡絲膜具有相互貫通的三維孔洞結(jié)構(gòu)和較高的孔隙率以及表面積，能夠模擬細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)，有助于

10、細(xì)胞的黏附，靜電紡絲技術(shù)通過調(diào)節(jié)紡絲參數(shù)，可以產(chǎn)生不同尺度的纖維并形成不同結(jié)構(gòu)的纖維膜。4.3.1混合靜電紡絲膜支架通過靜電紡絲制備PCL心臟瓣膜假體，隨機(jī)排列的纖維形成的纖網(wǎng)平均孔隙率為95，在脈沖復(fù)制機(jī)上測(cè)試其體外性能，初步的研究結(jié)果很好。通過靜電紡絲技術(shù)制備出生物可吸收性心臟瓣膜，仍需要進(jìn)一步的研究。通過混合親水性較好的聚乙二醇(PEG)和力學(xué)性能較好的聚乳酸(PLA)兩種材料制備靜電紡絲支架(簡(jiǎn)稱PEGdmaPLA混合支架)，并在PLA靜電紡絲支架和PEGdmaPLA混合支架上進(jìn)行細(xì)胞種植實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，相比PLA靜電紡絲支架，PEGdmaPLA混合支架的性能具有明顯

11、提升，其纖維直徑為(0.37±0.08) tLm，孔隙尺寸為(8.27±6.23)m2，表現(xiàn)出與天然心臟瓣膜相似的生物力學(xué)性能和多孔尺寸。通過種植初級(jí)分化的瓣膜細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明，混合支架具有更好的生物相容性，有助于細(xì)胞黏附和增殖，能夠保持表型不被破壞，同時(shí)沒有細(xì)胞毒性。未來在混合支架上用細(xì)胞外基質(zhì)蛋白對(duì)支架進(jìn)行修飾將有助于細(xì)胞的生長(zhǎng)和黏附。4.3.2 三層結(jié)構(gòu)靜電紡絲膜瓣膜的多層結(jié)構(gòu)使其力學(xué)性能表現(xiàn)出各向異性，從而從本質(zhì)上保證了瓣膜在心臟收縮時(shí)瓣葉的迅速打開，防止可能產(chǎn)生的瓣葉彎曲疲勞。為了模擬天然瓣膜結(jié)構(gòu)，研究者制備三層支架結(jié)構(gòu)，中間層為具有較高力學(xué)性能的材料，在組織愈合過程

12、中提供必要的功能支撐，而內(nèi)、外兩層則選用具有良好生物相容性和細(xì)胞黏附性能的材料，以提高細(xì)胞黏附、增殖、遷移、分化的能力。聚氨酯彈性體(PUR)具有天然瓣膜周向所需的力學(xué)強(qiáng)度，能夠抵抗舒張期所受到的壓力，但其過于剛硬。膠原具有良好的變形能力，可是缺乏足夠的力學(xué)強(qiáng)度，最大的強(qiáng)度只有0.38 MPa。因此，運(yùn)用靜電紡絲技術(shù)在兩層膠原之間加上一層PUR形成納米纖維網(wǎng)，并取得了良好的效果。制備了聚氨酯(PU)凝膠一甲殼素三層納米纖維支架，與PGAPLA靜電紡絲支架和膠原涂層的牛心包進(jìn)行對(duì)比。PU凝膠一甲殼素、PGAPLA和膠原涂層的牛心包都具有良好的生物相容性，而凝膠能夠提高內(nèi)皮細(xì)胞的黏附和增殖性能。此

13、外，在承受逐漸增加的脈動(dòng)流動(dòng)時(shí)，在PU凝膠一甲殼素材料上種植的內(nèi)皮細(xì)胞表現(xiàn)出最好的細(xì)胞保留率，這表明通過靜電紡絲制備的PU支架雖然單薄但是強(qiáng)度很大。研究表明，纖維之間直接通過黏合加固形成的纖維基支架在體內(nèi)無法滿足生理環(huán)境對(duì)瓣膜支架強(qiáng)度的要求，但是憑借復(fù)合紡織技術(shù)，選擇力學(xué)性能優(yōu)良的長(zhǎng)絲作為增強(qiáng)纖維或者在靜電紡絲支架上涂層以加固支架強(qiáng)度等較好地解決了強(qiáng)度的問題。而在生物性能上，針織和非織造技術(shù)形成的織物或二維纖網(wǎng)不利于細(xì)胞的黏附和生長(zhǎng)，因?yàn)槿狈I(yíng)養(yǎng)和代謝物質(zhì)傳輸?shù)耐ǖ溃坏?jīng)靜電紡絲形成的三維貫穿多孔結(jié)構(gòu)可以較好地模擬天然瓣膜結(jié)構(gòu)，促進(jìn)新生組織生長(zhǎng)和保持心臟瓣膜功能正常。研究表明，靜電紡絲制備組織

14、工程心臟瓣膜支架的技術(shù)多采用混合材料，以提高支架的力學(xué)性能和生物相容性，同時(shí)采用納米纖維模擬天然瓣膜三層組織結(jié)構(gòu)，以提高細(xì)胞的黏附和增殖性能，已取得了良好的效果。因此，靜電紡絲技術(shù)有望成為較好的組織工程支架的制備方法。4.3.3靜電紡絲心臟瓣膜支架的不足與解決辦法首先，細(xì)胞在靜電紡絲支架上的滲透性能較差。比較了用于主動(dòng)脈瓣的靜電紡絲支架和針織支架，結(jié)果表明，針織支架具有較大的纖維直徑和孔隙尺寸，細(xì)胞向內(nèi)滲透性能良好，而靜電紡絲纖維之間孔徑小，細(xì)胞只能在表面黏附而無法進(jìn)入支架內(nèi)部。通過將細(xì)胞規(guī)則地組裝到多層三維結(jié)構(gòu)中，在層層組織重建的過程中得到對(duì)每種細(xì)胞都具有高度特異性的三維微觀環(huán)境，改善了細(xì)胞

15、的滲透性能。其次，靜電紡絲支架的生物力學(xué)性能有待提高，其中抗彎剛度大是目前最突出的問題。通過減緩靜電紡絲過程中芯棒移動(dòng)速度和混合有更高模量且降解速度很快的纖維，以提供支架更大的力學(xué)各向異性和更低的抗彎剛度。第三，對(duì)于體內(nèi)組織工程應(yīng)用，靜電紡絲溶劑的毒性需要關(guān)注。溶液靜電紡絲可能會(huì)造成細(xì)胞毒性，目前有機(jī)溶劑的替代物是用水作為靜電紡絲介質(zhì)，隨后在靜電紡絲網(wǎng)上進(jìn)行物理化學(xué)交聯(lián)。在用絲素蛋白進(jìn)行靜電紡絲時(shí)，使用水作為溶劑。另外，采用熔體靜電紡絲技術(shù)制備多層組織工程支架結(jié)構(gòu)，也很好地解決了這方面的問題。4.3.4組織工程瓣膜支架材料研究的新進(jìn)展新思路近年來許多新思路、新工藝方法、新材料被引入到TEHV研

16、究領(lǐng)域中并取得新的進(jìn)展。計(jì)算機(jī)技術(shù)被引入組織工程瓣膜支架的制作之中。Sodian等對(duì)人自體主動(dòng)脈進(jìn)行CT掃描，用計(jì)算機(jī)軟件處理所得數(shù)據(jù)后，重建三維立體模型，以此為根據(jù)用P4HB制作出高度解剖仿真瓣膜支架。在該支架上種植人臍帶細(xì)胞，動(dòng)態(tài)培養(yǎng)7d，發(fā)現(xiàn)復(fù)蘇的冷凍臍帶細(xì)胞可以在該支架上保持活性并生長(zhǎng)入支架孔隙內(nèi)部;組織學(xué)檢查提示形成層狀組織結(jié)構(gòu)，支架內(nèi)部和外部可形成結(jié)締組織，所構(gòu)建的組織工程瓣膜擁有適于植入體內(nèi)的組織強(qiáng)度。電紡絲(electrospinning)技術(shù)利用聚合物溶液或熔體在強(qiáng)電場(chǎng)的噴射作用對(duì)高分子原料進(jìn)行紡絲加工，是一種制備超細(xì)納米纖維的新型加工工藝。Court-ney等以聚胺酯(po

17、lyesterurethaneureas，PEUU)為原料，運(yùn)用電紡絲技術(shù)，制備出纖維直徑、孔隙率、降解率均可控的電紡PEUU瓣膜支架。該支架彈性良好，力學(xué)性能接近于天然支架。此外在制作支架的同時(shí)，可用電噴射(electrospraying)技術(shù)將平滑肌細(xì)胞“微整合”(microintegrating)入支架內(nèi)，不損傷種子細(xì)胞活力，并提高了種子細(xì)胞向支架內(nèi)部滲透的能力，為構(gòu)建組織工程瓣膜提示了一種新的工藝方法。天然支架具有生物相容性好，易于細(xì)胞黏附、生長(zhǎng)、增殖的優(yōu)點(diǎn)；人工高分子材料具有良好且可控的力學(xué)性能、降解性、理化性質(zhì)等。將兩者相結(jié)合以制備復(fù)合支架，是構(gòu)建組織工程瓣膜支架的新方向。Grab

18、ow等在這方面作了有益嘗試。他們將去細(xì)胞瓣膜通過浸漬法(impregnation)結(jié)合PHB材料，制備生物基質(zhì)/高分子材料復(fù)合支架，種植大隱靜脈肌成纖維細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞后植入家兔主動(dòng)脈瓣區(qū)。結(jié)果表明，該支架生物相容性較好，抗張強(qiáng)度和縫合固定強(qiáng)度高，血流動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)良好。植入主動(dòng)脈瓣區(qū)的瓣膜功能正常，12周后可完全內(nèi)皮化，僅有少量炎癥細(xì)胞侵襲。將瓣膜支架材料攜帶生物信號(hào)分子，構(gòu)建具有生物活性的支架材料，以模擬天然瓣膜生長(zhǎng)微環(huán)境，是目前新型組織工程瓣膜支架發(fā)展的特點(diǎn)。RGD肽是以精-甘-天冬3個(gè)氨基酸為核心的短肽序列，是目前應(yīng)用最廣、最有效的促黏附肽。它通過與細(xì)胞膜表面整合素結(jié)合，促進(jìn)細(xì)胞與ECM-黏

19、附。史嘉瑋等用耦聯(lián)劑Sulfo-LC-SPDP將RGD肽與去細(xì)胞瓣化學(xué)結(jié)合，然后在其表面種植轉(zhuǎn)染轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-1基因的大鼠肌成纖維細(xì)胞。結(jié)果表明采用RGD肽表面修飾去細(xì)胞瓣，不僅可顯著提高支架黏附性，還可促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)和膠原分泌。5結(jié)語傳統(tǒng)的機(jī)械式心臟瓣膜生物相容性差且需要抗凝處理，生物瓣膜力學(xué)耐久性不足，同時(shí)它們都缺乏生長(zhǎng)的能力，因此，無法滿足心臟瓣膜疾病患者的需求。纖維基組織工程心臟瓣膜支架具有良好的可設(shè)計(jì)性和力學(xué)以及生物性能，能夠接近滿足人體內(nèi)對(duì)心臟瓣膜的要求，有望成為受損或病變心臟瓣膜的主要替代物。目前的纖維基心臟瓣膜支架以非織造、針織和靜電紡絲技術(shù)制備成型為主，其中，納米纖維基靜電紡絲

20、支架能夠模擬天然瓣膜形態(tài)形成三維立體結(jié)構(gòu)，同時(shí)比表面積大，有利于細(xì)胞黏附。預(yù)計(jì)采用混合材料制備具有三維多孔結(jié)構(gòu)的納米靜電紡絲組織工程心臟瓣膜支架將具有良好的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1NEUENscHwANDER s，HOERSTRUPSP。Heartvalvetissue engineeringJ。Transplant Immunology，2004，12(34)：359365。2NICHOLS M，TOWNSEND N，scARBOR0uGH P，et a1。Europeancardiovasculardiseasestatistics4thedition2012：Euroheart IIJ。Eu

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