苏大李刚教授、牛津大学Kaili Chen博士合作 JMST：人工血管研究进展

2025-01-05 来源：高分子科技

心血管疾病（CVD）是人类死亡的主要原因，约占每年死亡总数的1/3。当存在缺血性心脏病、外周动脉疾病等心脏血管疾病时，机体血管供血困难，需要对受损血管进行修复、置换或搭桥等手术干预。来源于患者的自体移植物，如：隐静脉、乳腺内动脉和桡动脉，因其免疫排斥风险低、通畅率高而被认为是血管移植物的金标准。然而，自体移植物存在局限性，包括继发性创伤、疼痛、感染和供体部位愈合缓慢，这些问题阻碍了它们的广泛临床应用。因此，开发能够模仿天然血管功能的人工血管，恢复血管周围的血流或替代受损血管等策略，具有重要的临床意义。

2024年10月12日，苏州大学现代丝绸国家工程实验室李刚教授、牛津大学陈凯丽博士合作在国际学术期刊《Journal of Materials Science & Technology》上发表题为“Advances in artificial blood vessels: Exploring materials, preparation, and functionality”综述文章（DOI: 10.1016/j.jmst.2024.09.029）。苏州大学硕士研究生王锋为第一作者，苏州大学李刚教授和帝国理工大学博士/牛津大学博士后研究员Kaili Chen为共同通讯作者，合作作者还包括梁梦迪、张蓓、李威强以及苏州大学附属第四医院张喜成主任和黄献琛主任。该工作得到了国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划、科技部国际合作和江苏省科技厅国际合作等项目的支持。

该综述详细探讨了人工血管领域的最新研究进展，涵盖了材料选择、制备技术、性能要求以及功能化策略等关键内容（图1）。文章深入分析了合成与天然材料的发展趋势，剖析了从传统纺织工艺到静电纺和3D打印等前沿制造技术的优缺点，并总结了在生物相容性、抗感染性及力学性能方面的挑战和解决方案。提出了目前血管功能化的主要策略，包括构建亲水涂层、抗凝药物的固定、促进内皮化和催化一氧化氮（NO）释放，以应对植入后面临的重大挑战。最后，文章展望了人工血管未来的应用前景和研发方向，旨在推动其在心血管治疗中的转化和临床应用。

图1 人工血管制备过程中的材料技术选择、性能要求以及功能化策略

人体血管在体内承受着各种复杂的生物力学，包括血流压力、脉压和周围组织施加的力，人工血管必须能够承受这些复杂的生物力学，以避免破裂或弯折（图2）。评估人工血管力学性能的指标包括抗拉强度、抗压强度、破裂强度、弯曲强度和缝合固位强度。其中抗拉强度是衡量人工血管在受到拉力作用时的抵抗能力，保证其在拉力作用下的结构完整性。此外，疲劳强度也至关重要，评估人工血管在多次循环加载后的稳定性，这对于需长期承受体内生理压力的人工血管尤为重要。顺应性在血管领域也十分关键，它衡量了人工血管在脉动压力下沿周向弹性扩张和收缩的能力。然而，人工血管和自体血管的顺应性往往存在差异，会引起吻合处的血流紊乱，导致血小板黏附、聚集进而形成血栓，影响血管的长期通畅性。

图2 (A) 作用于血管的生物力学：(a) 生理参数，(b) 生理力，(c) 应力，(d) 关系；(B) 用于不同血管移植物力学测试的夹具：(a) 纵向拉伸强度，(b) 径向拉伸强度，(c) 爆破强度，(d) 缝合保持强度，(e) 压缩与恢复性能，(f) 扭转性能；(C) 在拉伸力学测试中使用的样品形状：(a) 矩形，(b) 狗骨形，(c) 环形；(D) 天然血管与人工血管的结构及其对应的径向顺应性不匹配；(E) 顺应性对远端吻合部流动模式和壁面剪切应力的影响。

NO是维持体内血管通畅和稳态的重要气体转运和信号分子，在心血管系统中起着至关重要的作用。它在生理过程中具有多种作用，包括抑制血小板聚集及其对血管壁的粘附，抑制平滑肌细胞过度增殖，抑制白细胞活化，这些作用有助于加速血管内皮化和防止再狭窄，同时调节炎症反应。此外，人体内还存在多种内源性NO供体，如S-亚硝基硫醇（RSNO）、S-亚硝基谷胱甘肽（GSNO）、S-亚硝基白蛋白、S-亚硝基半胱氨酸（CysNO）等，这些供体催化剂如硒、酶或铜可催化生成NO。目前的研究主要集中在聚合物基质中嵌入催化剂或在血管表面固定催化位点，这些方法旨在利用体内存在的内源性NO供体催化NO的产生（图3）。

图3 NO在调节内皮化和血栓形成中发挥关键作用：(A) NO能够催化NO供体的释放，并在血管生成中发挥作用；(B-C) NO可显著促进内皮细胞的生长以及抑制平滑肌细胞的过度增殖

随着人口老龄化的加剧，心血管疾病的治疗需求日益迫切，人工血管已成为现代医疗的重要组成部分。它们不仅可以替代受损动脉，恢复血液循环，还能有效预防严重并发症的发生。因此，探索最佳材料和制造技术成为再生医学的研究重点。尽管天然材料在生物相容性上表现出色，但在生物力学强度和长期移植适应性方面仍有不足，而合成材料则面临血栓形成和内膜增生等挑战。生物可降解材料因其优异的细胞粘附能力和生物活性，具有潜在的应用前景。然而，临床转化依然面临降解性能不确定和力学性能限制的难题。此外，通过表面功能修饰和生物活性材料的杂化，可以进一步提高人工血管的生物相容性。尽管已有不少进展，但在预防血栓、促进内皮化以及抑制再狭窄等关键问题上，仍需要更多创新解决方案。随着生物材料科学、组织工程和表面改性技术的不断发展，未来人工血管将更加地满足人体治疗需求，兼具优异的生物相容性和长期稳定性，为心血管疾病患者带来新的希望。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.09.029

文章第一/通讯作者简介：

王锋：苏州大学硕士研究生，研究方向是丝蛋白生物材料和人工血管材料的研究。

Kaili Chen，英国帝国理工大学博士，牛津大学博士后，研究方向涵盖基于纳米材料的生物传感器用于早期疾病诊断、纤维基生物医用材料以及柔性可穿戴传感器在未来大健康领域的应用。

李刚，苏州大学教授、博导，江苏省第十五批“六大人才高峰”高层次人才、江苏省侨联青年委员会委员、香港理工大学江苏校友会副会长。香港理工大学博士、美国塔夫茨大学访问学者（导师：美国工程院David Kaplan院士）。长期在丝蛋白生物材料、医用和智能纺织材料等交叉领域展开研究。在Advanced Functional Materials、Biomaterials等期刊发表学术论文150余篇，已授权国内外专利50余件。主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目等项目30余项，曾获中国商业联合会科技进步奖、香港首届创新大赛冠军、江苏省十大行业优秀成果奖等荣誉。主要学术兼职为中国生物材料学会智能仿生材料分会委员、中国科协培训和人才服务中心、国家药监局器审中心、国家自然科学基金和“霍英东”科教奖函评专家（https://web.suda.edu.cn/tcligang）。

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（责任编辑：xu）

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