心臟瓣膜支架

1、心臟瓣膜支架材料進展心臟瓣膜支架材料進展（南通大學 化學化工學院 高分子材料與工程132 朱夢成 1308052064）摘要心臟瓣膜損壞或缺陷所導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制備的組織工程支架具有良好的可設計性和較好的力學和生物性能，逐漸成為組織工程心臟瓣膜支架的主要制備方法。全文重點介紹了纖維基組織工程心臟瓣膜支架的研究進展，對采用針織、非織造以及靜電紡絲制備技術得到的微納米纖維基支架的各自特點進行了對比分析，由此表明具有優(yōu)良生物相容性和可控力學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。當前應用于臨床的瓣膜置換物(生物瓣和機械瓣)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帶來了希望。組織工程心臟瓣膜的構建包括：支架的選材及制備；種子細胞的選擇、分離與培養(yǎng)；種子細胞在支架上的種植與培養(yǎng)三部分?，F重點綜述近年來國內外在組織工程心臟瓣膜支架材料研究上的新進展新突破， 展望了支架材料發(fā)展的方向和前景。在美國，心臟瓣膜疾病每年直接導致約20 000人死亡，實施的心臟瓣膜替換術超過60 000例，在英國，到2018年，預計有超過400萬年齡在7584歲的人患有心臟瓣膜疾病，而到2028年，這個數字將增加一倍。在西方國家，2.5的人患有瓣膜疾病。主動脈瓣和肺動脈瓣是最常見的受損心臟瓣膜手術，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。然而經過最初手術替換10年后，5060的病人由于出現與替換物相關并發(fā)癥而需要再次能不全或瓣膜病變機械瓣膜會產生感染和血栓并發(fā)癥，因此需要終生抗凝治療，但又可能導致大出血，生物瓣膜抵抗。結構損傷能力較差，耐久性有待提高，目前生物瓣膜能夠持續(xù)使用時間為1015年。這兩種人工瓣膜在體內均不具備生長、修復和重塑能力，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，需要進行外科心臟手術，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

4、成為治療瓣膜疾病的主要研究方法。而以紡織技術制備的纖維基組織工程支架因其良好的可設計性和力學以及生物性能，逐漸成為組織工程心臟瓣膜支架的主要制備手段和技術。1人體心臟瓣膜的構造特點心臟瓣膜的生理目的是保持血液單向、非梗阻的流動。心臟瓣膜由內皮細胞、間充質細胞和主要成分為膠原、彈性纖維以及糖胺聚糖的細胞外基質組成。主動脈瓣的解剖結構為1個瓣環(huán)和3個半月形的尖瓣。3個半月形瓣葉由3個不同層組成：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；松質層，主要由糖胺聚糖組成。心臟瓣膜獨特的結構保證了正常的瓣膜功能。尖瓣心室層圈l主動脈瓣膜的3層結構尖瓣在血

5、液從心臟流出時打開，在背部受到很小的壓力時即關閉，人的一生要啟閉瓣膜約30億次。心臟瓣膜在體內永久地暴露在12080mmHg的高壓下，心室層暴露在脈動的層流中，而纖維層暴露在動蕩的低剪切流動中。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構和功能上滿足體內的需求。在結構上，支架要模擬天然瓣葉形狀，引導組織生長，要有較大的表面積以提高細胞吸附能力和提供更多的吸附位點，同時，還要有相互貫通的三維多孔體系，以傳送營養(yǎng)物質。在功能上，支架需要具有良好的力學性能以提供抵抗動脈壓力的力學強度和完整性，而且要有良好的生物相容性口，并在適當的時間可自行降解，不產生有害物質。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，以脫細胞的細胞外基質為主的異種或異體支架植入體內后會出現鈣化和免疫反應以及瓣膜小葉增厚。天然材料生物相容性好，能吸附細胞膜上的整合素。整合素能刺激細胞與細胞、細胞與基質之間的信號機制以改變細胞功能，重塑細胞、組織和細胞外基質結構，并參與釋放生長因子，但天然材料的力學和加工性能較差，需要通過交聯固定，而交聯介質又會造成細胞毒性。合成材料具有良好的力學和降解性能，但生物性能不足。因此，現階段大多結合兩者的特點，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構與性能組織工程化心臟瓣膜的概念首先于1995年在文

7、獻中提出。制備有助于細胞黏附、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。紡織成形技術可以生產出精細化的纖維基復合材料結構，對其結構設計、制備和再生產過程可以有效調控以重塑損傷的心臟瓣膜的生物力學性能。因為紗線中的纖維以及織物中的紗線之間沒有直接的黏合點，當織物受到應力時，通過纖維的滑移來抵抗變形，提高了纖維織物的力學性能。因此，相較一般的膜材料，纖維織物是一種輕質、高強、高彈的特殊材料，可以應用在心臟瓣膜上，其獨特的可折疊性可以防止在瓣膜屈曲過程中出現脫層問題，并且能抵抗血液流動造成的損傷，植入人體之后，即使變形的瓣葉也能承受支架非對稱定位所造成的應力。在細胞黏附方面，可以通過

8、調節(jié)纖維或紗線的直徑和織物的孔隙率來提高細胞的黏附和向內生長能力，并通過特殊設計和紡織成型技術，可以形成三維蓬松結構等復雜結構，從而模擬天然瓣膜的形態(tài)。4.1非織造結構非織造結構將纖維或者長絲進行定向或隨機排列形成纖網，然后用不同的方法進行加固。采用非織造方法可以制備具有一定規(guī)格的網片，通過后處理形成瓣葉形狀。在結構上，纖維之間通過物理方法直接黏合，其強度不如紗線之間相互交織、編結而形成的結構，同時，纖維多為微米尺度，網片為二維形態(tài)，不易形成復雜的三維多孑L結構，不利于細胞黏附、向內生長和營養(yǎng)物質的傳輸。首例組織工程心臟瓣膜支架由SHINOKA等在1995年用聚乳糖機織網片周圍包覆兩個非織造聚

9、羥基乙酸(PGA)網，通過種植成纖維細胞和內皮細胞重建單個肺動脈瓣，并在幼年羊模型中進行評價。結果顯示，瓣膜同步打開，沒有血栓形成，但隨著時間的增加，有少量的狹窄和回流。4.2針織結構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提供更多孔洞，高度有序排列的線圈結構使其具有良好的力學性能。針織物的孔隙率取決于所使用的纖維或者紗線的粗細以及線圈結構。4.3靜電紡絲膜結構靜電紡絲技術是溶液或熔體在高壓電場作用下從噴絲口射出，在空氣中凝固形成長絲，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構和較高的孔隙率以及表面積，能夠模擬細胞外基質結構，有助于

10、細胞的黏附，靜電紡絲技術通過調節(jié)紡絲參數，可以產生不同尺度的纖維并形成不同結構的纖維膜。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，隨機排列的纖維形成的纖網平均孔隙率為95，在脈沖復制機上測試其體外性能，初步的研究結果很好。通過靜電紡絲技術制備出生物可吸收性心臟瓣膜，仍需要進一步的研究。通過混合親水性較好的聚乙二醇(PEG)和力學性能較好的聚乳酸(PLA)兩種材料制備靜電紡絲支架(簡稱PEGdmaPLA混合支架)，并在PLA靜電紡絲支架和PEGdmaPLA混合支架上進行細胞種植實驗，結果如圖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，表現出與天然心臟瓣膜相似的生物力學性能和多孔尺寸。通過種植初級分化的瓣膜細胞實驗表明，混合支架具有更好的生物相容性，有助于細胞黏附和增殖，能夠保持表型不被破壞，同時沒有細胞毒性。未來在混合支架上用細胞外基質蛋白對支架進行修飾將有助于細胞的生長和黏附。4.3.2 三層結構靜電紡絲膜瓣膜的多層結構使其力學性能表現出各向異性，從而從本質上保證了瓣膜在心臟收縮時瓣葉的迅速打開，防止可能產生的瓣葉彎曲疲勞。為了模擬天然瓣膜結構，研究者制備三層支架結構，中間層為具有較高力學性能的材料，在組織愈合過程

12、中提供必要的功能支撐，而內、外兩層則選用具有良好生物相容性和細胞黏附性能的材料，以提高細胞黏附、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強度，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強度，最大的強度只有0.38 MPa。因此，運用靜電紡絲技術在兩層膠原之間加上一層PUR形成納米纖維網，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行對比。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，而凝膠能夠提高內皮細胞的黏附和增殖性能。此

13、外，在承受逐漸增加的脈動流動時，在PU凝膠一甲殼素材料上種植的內皮細胞表現出最好的細胞保留率，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無法滿足生理環(huán)境對瓣膜支架強度的要求，但是憑借復合紡織技術，選擇力學性能優(yōu)良的長絲作為增強纖維或者在靜電紡絲支架上涂層以加固支架強度等較好地解決了強度的問題。而在生物性能上，針織和非織造技術形成的織物或二維纖網不利于細胞的黏附和生長，因為缺乏營養(yǎng)和代謝物質傳輸的通道；但經靜電紡絲形成的三維貫穿多孔結構可以較好地模擬天然瓣膜結構，促進新生組織生長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多采用混合材料，以提高支架的力學性能和生物相容性，同時采用納米纖維模擬天然瓣膜三層組織結構，以提高細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，細胞在靜電紡絲支架上的滲透性能較差。比較了用于主動脈瓣的靜電紡絲支架和針織支架，結果表明，針織支架具有較大的纖維直徑和孔隙尺寸，細胞向內滲透性能良好，而靜電紡絲纖維之間孔徑小，細胞只能在表面黏附而無法進入支架內部。通過將細胞規(guī)則地組裝到多層三維結構中，在層層組織重建的過程中得到對每種細胞都具有高度特異性的三維微觀環(huán)境，改善了細胞

15、的滲透性能。其次，靜電紡絲支架的生物力學性能有待提高，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各向異性和更低的抗彎剛度。第三，對于體內組織工程應用，靜電紡絲溶劑的毒性需要關注。溶液靜電紡絲可能會造成細胞毒性，目前有機溶劑的替代物是用水作為靜電紡絲介質，隨后在靜電紡絲網上進行物理化學交聯。在用絲素蛋白進行靜電紡絲時，使用水作為溶劑。另外，采用熔體靜電紡絲技術制備多層組織工程支架結構，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、究領域中并取得新的進展。計算機技術被引入組織工程瓣膜支架的制作之中。Sodian等對人自體主動脈進行CT掃描，用計算機軟件處理所得數據后，重建三維立體模型，以此為根據用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胞，動態(tài)培養(yǎng)7d，發(fā)現復蘇的冷凍臍帶細胞可以在該支架上保持活性并生長入支架孔隙內部;組織學檢查提示形成層狀組織結構，支架內部和外部可形成結締組織，所構建的組織工程瓣膜擁有適于植入體內的組織強度。電紡絲(electrospinning)技術利用聚合物溶液或熔體在強電場的噴射作用對高分子原料進行紡絲加工，是一種制備超細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，運用電紡絲技術，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，力學性能接近于天然支架。此外在制作支架的同時，可用電噴射(electrospraying)技術將平滑肌細胞“微整合”(microintegrating)入支架內，不損傷種子細胞活力，并提高了種子細胞向支架內部滲透的能力，為構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，易于細胞黏附、生長、增殖的優(yōu)點；人工高分子材料具有良好且可控的力學性能、降解性、理化性質等。將兩者相結合以制備復合支架，是構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。他們將去細胞瓣膜通過浸漬法(impregnation)結合PHB材料，制備生物基質/高分子材料復合支架，種植大隱靜脈肌成纖維細胞和內皮細胞后植入家兔主動脈瓣區(qū)。結果表明，該支架生物相容性較好，抗張強度和縫合固定強度高，血流動力學表現良好。植入主動脈瓣區(qū)的瓣膜功能正常，12周后可完全內皮化，僅有少量炎癥細胞侵襲。將瓣膜支架材料攜帶生物信號分子，構建具有生物活性的支架材料，以模擬天然瓣膜生長微環(huán)境，是目前新型組織工程瓣膜支架發(fā)展的特點。RGD肽是以精-甘-天冬3個氨基酸為核心的短肽序列，是目前應用最廣、最有效的促黏附肽。它通過與細胞膜表面整合素結合，促進細胞與ECM-黏

19、附。史嘉瑋等用耦聯劑Sulfo-LC-SPDP將RGD肽與去細胞瓣化學結合，然后在其表面種植轉染轉化生長因子-1基因的大鼠肌成纖維細胞。結果表明采用RGD肽表面修飾去細胞瓣，不僅可顯著提高支架黏附性，還可促進細胞生長和膠原分泌。5結語傳統(tǒng)的機械式心臟瓣膜生物相容性差且需要抗凝處理，生物瓣膜力學耐久性不足，同時它們都缺乏生長的能力，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計性和力學以及生物性能，能夠接近滿足人體內對心臟瓣膜的要求，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)形成三維立體結構，同時比表面積大，有利于細胞黏附。預計采用混合材料制備具有三維多孔結構的納米靜電紡絲組織工程心臟瓣膜支架將具有良好的應用前景。參考文獻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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