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技術文章

OPTON微觀世界|掃描電鏡下的人工血管

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 心腦血管疾病是人類健康的重大威脅之一。心腦血管疾病是50歲以上中老年人健康的常見病,具有高患病率、高致殘率和高死亡率的特點,當今時代即便也逐漸年輕化,越來越多的人受相關疾病的威脅。*每年死于心腦血管疾病的人數(shù)高達1500萬人,居各種死因*。高血壓、冠心病、中風、周圍血管疾病、心力衰竭、心臟病、心肌病……在醫(yī)療條件日益進步的今天,很多人依然籠罩在這些耳熟能詳?shù)募膊〉年幱爸隆?/span>

 

通過手術治療或介入,改善局部缺血部位的供血,是治療心腦血管類疾病的主要外科手段。對于心臟搭橋手術、動脈栓塞、動脈瘤等疾病,使用自體血管移植是解決這類疾病的常用手段;對于一些腎臟疾病,也需要建立內(nèi)瘺通路,進行透析治療。然而目前可使用的自體血管只有3處:大隱動脈、橈動脈和乳內(nèi)動脈,這些有限的自體血管用完后,患者將失去手術機會面臨死亡;同時取用自體血管會造成的很大創(chuàng)傷以及各種功能障礙,給患者帶來極大的痛苦。

而人工血管不受患者自身血管數(shù)量的限制,當患者自體血管不能使用,或無法接受術后創(chuàng)傷時,可使用人工血管,從而患者就多了一次生存的機會,因此人工血管是非常重要的替代品。

 


人體內(nèi)環(huán)境復雜,對人造血管性能的要求較高。一般要求有:1)優(yōu)良的力學性能:有足夠的強度、柔韌性和彈性。人體內(nèi)部是高壓環(huán)境,需要承受高速流動的血液,決不能出現(xiàn)破裂,斷裂。2)良好的相容性:如果血管與人體組織間相容性不好,極其容易引發(fā)病理生理反應,造成增生、栓塞。要避免增生性吻合口狹窄。3)良好的穩(wěn)定性:材料物理化學性質穩(wěn)定,不能短時間在人體內(nèi)降解,失去其效用。4)一定的通透性:人工血管壁需要有一定的孔洞結構,使得人體細胞容易長入。


我國在50年代末、60年代初,才開始進行人工血管的研究,起初是用尼龍(Nylon)織成,后因尼龍降解,在生體內(nèi)植入后發(fā)生破裂而被淘汰。當前人工血管制造的主要材料有滌綸(Dacron)、聚氨酯、聚四氟乙烯(PTFE)等。根據(jù)其直徑和形貌,應用于不同的手術治療中。目前6mm以上直徑的血管,已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化,應用于各類臨床醫(yī)學之中。而6mm直徑以下的血管,面臨更高的血栓形成和內(nèi)膜增生的挑戰(zhàn),限制于材料和技術,僅個別廠家能達到生產(chǎn)要求。

大多人造血管為多層材料復合而成,模擬人體血管內(nèi)外層結構,內(nèi)層抑制血栓形成,中層及外層起支撐穩(wěn)定等作用。市場上的人工血管加工技術主要分為織造和非織造,織造血管中又有平織、針織,機織以及人工編織等。不同材料適用不同方法,終得到的血管微觀形貌和性能也存在一定差異。下圖為掃描電鏡下應用滌綸、聚四氟乙烯(PTFE)和膨體聚四氟乙烯(ePTFE)形貌。

 

 

 掃描電鏡下不同材料的人工血管 (a) 機織滌綸纖維 (b) PTFE 纖維, and (c) ePTFE 纖維

 

近年來,隨著醫(yī)學和材料領域的發(fā)展,人工血管的材料選擇和加工方式都有了很多新突破。聚己內(nèi)酯(PCL)、硅膠、天然桑蠶絲,新型碳材料以及靜電紡絲技術、3D打印技術等,也應用于人工血管的制作之中。應用這些手段制作人工血管,其孔隙率以及與人體細胞的相容性,是需要考察檢測的重要性能指標之一。

 

 

 

不同纖維材料與人體細胞相容性不同,上圖為掃描電鏡下膠原纖維(b)和PCL纖維(c)上的細胞增殖和細胞附著情況,可以看到膠原纖維更有利于細胞增殖,但PCL纖維對細胞的粘附更勝*。 

 

 

上圖是應用靜電紡絲技術,采用不同的紡絲參數(shù)得到的三層血管結構的截面圖。從SEM圖像中,可以明顯觀察到三層不同纖維尺寸和孔隙率的PCL纖維層。相關標準中對于人工血管的孔隙率大小是有硬性規(guī)定的,只有合適的孔隙率才能使血管材料與人體相容,在人體中穩(wěn)定的發(fā)揮作用。

 

 C骨髓間充質干細胞移植情況  D內(nèi)皮細胞在管腔表面


電鏡也是觀察培養(yǎng)后血管材料、血管內(nèi)外通道內(nèi),與人體細胞相互作用情況的常用手段。上圖中AB為培養(yǎng)1天后在微通道內(nèi)粘附的平滑肌細胞電鏡圖。CD為骨髓間充質干細胞移植和內(nèi)皮細胞在管腔表面播種的電鏡觀察圖。

掃描電鏡是觀察纖維等人工血管材料的直觀手段,無論是纖維通透性、不同層間結合情況,還是與人體細胞的相容性,都需要SEM幫忙檢測表征,以確保用在病人身上的血管*達到標準要求,能為患者減輕痛苦,帶來健康。相信隨著材料學和醫(yī)學的發(fā)展,我們可以做出任意直徑的優(yōu)質人工血管,讓更多人擺脫心腦血管疾病的困擾。

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[6] http://amuseum.cdstm.cn/AMuseum/organs/heart/rgxg/index.html

[7] http://www.xjishu.com/zhuanli/05/201710380038.html

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