可塑形大孔電紡聚己內酰胺棉促進功能性組織工程化血管移植物的快速形成

DOI:10.1016/j.matdes.2020.108631

直徑小于6mm的組織工程化血管移植物（TEVGs）具有廣泛的應用前景。然而，維持移植物植入后的通暢性和功能仍然是很難實現且迫切需要解決的。本研究采用一種有效的方法來制備大孔電紡聚己內酯（PCL）棉材料（棉布），并利用免疫反應預培養制備小直徑自體TEVG。通過掃描電子顯微鏡對材料進行了評估，發現棉布具有良好的特性，適合于免疫反應性預培養。同時，它還具有出色的機械性能。由于棉布具有很強的重塑能力，可以由此設計血管補片和血管支架等。對于血管支架，將棉布包裹在聚四氟乙烯（PTFE）管周圍，并皮下植入大鼠2周，以制備自體TEVGs。然后將自體TEVGs移植于同一大鼠腹主動脈中。移植4周后，棉TEVG形成具有良好通暢性的功能性移植物。組織學結果顯示，TEVGs具有與原發性主動脈相似的特征。總體結果表明，PCL棉材料作為一種可塑形材料，可用于在較短時間內制備出具有良好生物相容性和功能性的血管移植物。

圖1.電紡纖維結構和孔幾何結構。蓬松棉纖維（A-B）和緊密膜纖維（C-D）的全景圖像。電紡纖維結構和孔幾何的掃描電鏡圖像（E-H）。放大倍率，300倍；比例尺=100μm。放大倍率，2000倍；比例尺=10μm。棉纖維比膜纖維的取向性更好（I，K）。棉纖維和膜纖維的直徑分布（J，L）。

圖2.所需時間點（0、20和50秒）棉纖維和膜纖維的水接觸角。50秒（A-D）水接觸角的代表性圖像。用平行于纖維的攝像機采集兩幅平行方向的圖像，用垂直于纖維的攝像機采集其他垂直方向的圖像。顯示每根纖維在0秒、20秒、50秒時的接觸角（E）。*p<0.05。

圖3.棉布和膜的力學特性比較。在拉伸載荷作用下，棉纖維和膜纖維分別沿平行方向（A-B）和垂直方向（C-D）拉伸。不同方向的應力曲線（E-F）。棉布和膜在不同方向上的楊氏模量應力曲線（G-H）。*p<0.05。

圖4.皮下植入1周或2周后，棉和膜纖維的肉眼觀察、橫截面和SEM圖像。從肉眼觀察，結締組織比結膜纖維（A，E，I和M）填充的棉纖維更多。從左到右的中間一列：H＆E細胞染色，Masson膠原蛋白染色（B-C，F-G，J-K和N-O）。所有種類的材料都被自體結締組織覆蓋（D，H，L和P）。染色圖像比例尺=100μm。放大倍率：2000倍；比例尺=10μm。

圖5.棉布能夠塑造成血管補片。棉布覆蓋的3D打印模具（A-B），皮下植入（C）。 血管補片可以保持其形狀并獲得彈性，而無需模具（D-E）的支持。H＆E圖像顯示，棉布（F）中存在大量的自體細胞。比例尺=100μm。

圖6.為了構建具有自體組織的TEVGs，分別將棉和膜血管支架皮下植入1周或2周。通過將棉（A）和膜（F）纏繞在支撐的PTFE管上制成血管支架。與膜TEVGs（B，D，G和I）相比，棉TEVGs促進了更多的新毛細血管。棉TEVGs的血管壁緊密貼合（C和E），而膜TEVGs的血管壁則不貼合（H和J）。

圖7.皮下植入1周或2周后，棉和膜TEVG的SEM和橫截面圖像。棉TEVGs（A和G）中的血管壁被組裝在一起，而膜TEVGs中的壁是分開的（D和J）。1-2次移植后（B-C和H-1），越來越多的細胞和組織滲入棉TEVGs。膜TEVGs（E-F和K-L）變化很小。放大倍率，74倍；比例尺=100μm。染色圖像比例尺=100μm。

圖8.皮下植入2周后，棉和膜TEVGs的免疫熒光染色。α-SMA（+）成肌纖維細胞主要位于棉TEVG（A）中，而位于膜TEVG（D）中較少。在兩種TEVGs（B，E）中均觀察到結蛋白（+）細胞。兩組均未檢測到彈性蛋白（C，F）。對于巨噬細胞，I型標志物iNOS（+）并不顯著（G，J），而II型標志物CD206在不同程度上均對兩種TEVGs呈陽性（H，K）。發現了少量膠原蛋白（I，L）。藍色熒光顯示核成分。比例尺=250μm。

圖9.分別比較了棉TEVGs 1周或2周的機械特性。棉TEVGs的軸向應力-應變曲線（A）。2周的棉TEVGs顯示出比1周（B-C）更好的機械特性。*p<0.05。棉TEVGs的徑向應力-應變曲線（B）。

圖10.原位TEVG移植后，彩色多普勒血流表明棉和膜TEVGs（A和D）通暢。當TEVG的初始內徑為1.5 mm時，膜TEVG（B）和棉TEVG（E）的測量結果沒有顯著性差異。血流頻譜顯示波狀，這表示主動脈血流（C和F）。TEVG端子用紅色箭頭標記。

圖11.在橫截面圖像中，與膜TEVGs（E-L）相比，棉TEVGs中發現了更多的自體細胞和膠原蛋白。在SEM圖像中，棉TEVGs的血管壁類似于主動脈（M-N和Q-R），而膜TEVGs的血管壁是分層的（U-V）。TEVGs的內膜被棉和膜（P，T和X）中的細胞覆蓋。放大倍率，74倍；比例尺=100μm；放大倍率：800倍；比例尺=10μm；放大倍率：100倍；比例尺=100μm。染色圖像比例尺=100μm。

圖12.適形移植4周后棉和膜TEVGs的免疫熒光圖像。棉TEVG的內表面被一層vWF（+）內皮細胞（E）覆蓋。盡管在膜TEVG（I）中觀察到了某些vWF（+）細胞，但它們并不像在天然動脈（A）中觀察到的那樣處于典型的內皮細胞模式，更有可能是非特異性染色的產物。棉TEVG中的α-SMA和結蛋白與天然主動脈（B-C，F-G）相似，而在膜TEVG（J-K）中則很少。與天然主動脈（MN）相比，棉TEVG（P）和膜TEVG（S）中幾乎沒有發現iNOS（+）I型巨噬細胞，而TEVG（Q）中CD206（+）II型巨噬細胞卻很豐富。膜TEVG（T）中幾乎沒有。棉TEVG類似于天然主動脈（D，O）：I型膠原蛋白位于近端層（R），彈性蛋白出現在壁中（H）。在膜TEVG（L，U）中幾乎沒有發現膠原蛋白和彈性蛋白。藍色熒光顯示核成分。比例尺=250μm。