功能修飾：開啟人工血管再生調控的新視角一、引言1.1研究背景與意義心血管疾病（CVD）已成為全球范圍內重大公共衛生問題，因其高發病率和高死亡率，嚴重威脅著人類的健康與生命。據統計，中國心血管疾病患者已達3.3億人，占疾病死亡總人數的43%以上，遠超癌癥和其他疾病。血管病變，如動脈粥樣硬化，會導致血管內膜層下斑塊不斷積累，造成下游組織血流量減少，嚴重時可致患者死亡。對于晚期心血管疾病患者而言，血管旁路移植術是重要的治療手段。臨床手術常用的橋血管多取自患者自身，如橈動脈、內乳動脈和大隱靜脈等，這些自體血管由于長期通暢率高，成為臨床治療的“金標準”。然而，自體血管來源極為有限，獲取過程還會給患者帶來二次創傷，難以滿足大量患者的治療需求，因此，人工血管的研發顯得尤為迫切。目前，大口徑（內徑≥6mm）人工血管已成功實現商業化并廣泛應用于臨床，在主動脈疾病，如主動脈夾層、血管動脈瘤等治療中取得了滿意的效果。但小口徑（內徑<6mm）人工血管卻面臨諸多挑戰，至今仍缺乏成功應用于臨床的例子。小口徑人工血管主要應用于外周病變動脈替換、晚期腎病患者透析造瘺、心臟冠脈搭橋等領域，但由于其口徑小，血液流速慢，植入后患者再狹窄率較高，這在很大程度上限制了該類產品的臨床應用。現有的小口徑人工血管存在諸多問題，如材料血液相容性差，與血液接觸后易引發凝血和血栓形成，導致血管管腔狹窄甚至閉塞；合成材料無法有效支持內皮細胞的黏附和生長，使得人工血管植入體內后難以盡快內皮化，進一步增加了血管凝血、栓塞的風險。為解決這些問題，功能修飾成為關鍵突破口。通過對人工血管進行功能修飾，能夠改善其血液相容性，促進內皮細胞的黏附和生長，有效調控血管組織的再生過程。例如，通過引入具有特異性吸附纖溶酶原溶解血栓能力的物質，可增強人工血管的抗血栓形成能力；修飾后的表面能夠增強細胞-基質間和細胞-細胞間的相互作用，從而促進血管內皮層再生和功能重塑。對功能修飾對人工血管再生調控的研究具有重大意義。從醫學角度看，有望解決小口徑人工血管目前面臨的低通暢率問題，為心血管疾病患者提供更有效的治療手段，拯救更多生命，提高患者的生活質量。從社會經濟角度而言，隨著人口老齡化的加劇，心血管疾病患者數量不斷增加，對人工血管的需求也日益增長。若能成功研發出性能優良的小口徑人工血管，將極大地減輕社會醫療負擔，具有顯著的社會效益和經濟效益。同時，該研究也將推動生物材料、組織工程等相關學科的發展，為其他生物醫學領域的研究提供新思路和方法。1.2研究目的與問題提出本研究旨在深入探究功能修飾對人工血管再生調控的作用機制，通過系統性的實驗和分析，明確不同功能修飾方式如何影響人工血管的各項性能，從而為開發具有優良性能的小口徑人工血管提供理論依據和技術支持。具體而言，本研究擬解決以下關鍵問題：功能修飾如何影響人工血管的血液相容性：血液相容性是人工血管能否成功應用于臨床的關鍵因素之一。本研究將重點探究不同功能修飾方法，如表面接枝聚環氧乙烷（PEO）側鏈、引入抗凝劑肝素等，如何改變人工血管表面的理化性質，進而影響其與血液成分，如血小板、血漿蛋白等的相互作用，最終揭示功能修飾對人工血管抗血栓形成能力的影響機制。例如，通過表面接枝PEO側鏈增加聚合物表面親水性，降低表面與血液成分的相互作用，阻止血栓形成；引入肝素固化，干擾血液與材料表面的相互作用，改善血液相容性。功能修飾怎樣促進內皮細胞在人工血管表面的黏附和生長：內皮細胞的快速黏附和生長對于人工血管的內皮化至關重要，可有效降低血栓形成風險。研究將聚焦于分析修飾后的人工血管表面特性，如表面形貌、化學組成、電荷分布等的變化，如何影響內皮細胞與人工血管之間的細胞-基質相互作用，以及這些變化如何進一步調控內皮細胞的黏附、增殖、遷移和分化等生物學行為，從而實現人工血管的快速內皮化。例如，利用促進內皮細胞粘附的物質如纖維蛋白、纖維蛋白原或抗內皮細胞抗體，使內皮細胞和人工合成材料穩定結合，促進內皮細胞在人工血管表面的黏附和生長。功能修飾對血管組織再生各環節的具體調控機制是什么：血管組織再生是一個復雜的過程，涉及細胞募集、增殖、分化以及細胞外基質合成與重塑等多個環節。本研究將深入剖析功能修飾在這些環節中所發揮的作用，通過體內外實驗，觀察功能修飾如何影響內源性血管干/祖細胞的命運，調控其向血管內皮細胞和平滑肌細胞的分化過程；研究功能修飾如何調節細胞因子和生長因子的表達與釋放，進而影響血管組織的再生和修復；探討功能修飾對細胞外基質的組成、結構和力學性能的影響，以及這些變化如何反過來影響細胞的行為和血管組織的重構，全面揭示功能修飾對血管組織再生的調控網絡。例如，通過體外細胞實驗和體內動物模型，研究功能修飾對血管干/祖細胞向血管內皮細胞方向分化的調控作用，以及對成骨分化的抑制作用，從而闡明其促進血管再生、抑制血管鈣化的機制。如何通過功能修飾實現人工血管的長期穩定和高效再生：實現人工血管的長期穩定和高效再生是臨床應用的最終目標。本研究將綜合考慮上述各個方面的研究結果，優化功能修飾策略，探索如何通過合理的功能修飾設計，使人工血管在體內能夠長期維持良好的性能，減少再狹窄和血栓形成等并發癥的發生，實現血管組織的高效再生和功能重建，為心血管疾病患者提供更加安全、有效的治療方案。例如，通過對多種功能修飾方法的組合和優化，制備出具有良好血液相容性、快速內皮化能力和促進血管組織再生的人工血管，在動物實驗中驗證其長期穩定性和高效再生能力。1.3國內外研究現狀近年來，人工血管功能修飾及再生調控成為生物醫學工程領域的研究熱點，國內外眾多科研團隊圍繞這一主題展開了深入研究，取得了一系列重要進展。在國外，美國、德國、日本等發達國家在人工血管研究方面處于領先地位。美國的科研團隊致力于開發新型的功能修飾材料和技術，如通過基因編輯技術將特定的功能基因導入人工血管材料中，使其具備促進血管再生的能力。例如，有研究將編碼血管內皮生長因子（VEGF）的基因導入人工血管支架，發現其能有效促進內皮細胞的增殖和遷移，加速人工血管的內皮化進程。德國的研究則側重于優化人工血管的表面結構和性能，通過納米技術制備具有特殊形貌和化學組成的表面，以改善其血液相容性和細胞黏附性。日本的科研人員在生物復合型人工血管方面取得了顯著成果，他們將天然生物材料與合成材料相結合，制備出具有良好生物相容性和力學性能的人工血管，并通過功能修飾進一步增強其再生調控能力。在國內，隨著國家對生物醫學工程領域的重視和投入不斷增加，人工血管研究也取得了長足的進步。東華大學的科研團隊在組織工程小口徑血管研究領域取得了新進展，提出選用具有特異性吸附纖溶酶原溶解血栓能力、含雙氨基官能團的賴氨酸（Lys）作為小分子交聯劑介導聚多巴胺（PDA）聚合的改進思路，在電紡聚乳酸-己內酯共聚物（PLCL）取向纖維表面形成PDA-Lys功能性涂層，該復合涂層不僅顯著增強支架的抗血栓形成能力，還可通過增強細胞-基質間和細胞-細胞間的相互作用促進血管內皮層再生和功能重塑。南開大學生命科學學院暨藥物化學生物學國家重點實驗室趙強教授課題組設計制備了具有一氧化氮（NO）緩釋功能的生物復合型人工血管，該血管能夠在體內環境中轉化產生NO，有效調控內源性血管干/祖細胞命運，促進血管組織再生并抑制血管鈣化。然而，現有研究仍存在一些不足之處。一方面，對于功能修飾對人工血管再生調控的具體機制研究還不夠深入，許多研究僅停留在表面現象的觀察，缺乏對分子生物學和細胞生物學層面的深入探討，導致難以從根本上優化功能修飾策略。例如，雖然一些功能修飾能夠促進內皮細胞的黏附和生長，但對于其如何影響內皮細胞的信號通路和基因表達，從而實現血管再生的調控，還缺乏系統的研究。另一方面，目前的功能修飾方法大多較為復雜，成本較高，難以實現大規模的工業化生產和臨床應用。例如，一些基于基因編輯和納米技術的功能修飾方法，需要專業的設備和技術人員，且材料成本高昂，限制了其在臨床中的推廣。此外，不同功能修飾方法之間的協同作用研究較少，如何將多種功能修飾方法有機結合，以實現人工血管性能的全面提升，也是亟待解決的問題。綜上所述，盡管國內外在人工血管功能修飾及再生調控方面取得了一定的成果，但仍存在諸多挑戰和問題。本研究將針對這些不足，深入探究功能修飾對人工血管再生調控的作用機制，優化功能修飾策略，為開發高性能的小口徑人工血管提供理論和技術支持。二、人工血管再生調控與功能修飾的理論基礎2.1人工血管概述2.1.1分類與應用人工血管作為血管替代物，在心血管疾病治療中發揮著重要作用。根據口徑大小，人工血管主要分為大口徑（內徑≥6mm）和小口徑（內徑<6mm）兩類，它們在結構、性能及應用領域上存在顯著差異。大口徑人工血管憑借其較大的管徑，能夠承受較高的血壓和較大的血流量，在主動脈疾病治療中表現出色。在主動脈夾層手術中，大口徑人工血管可有效替換病變的主動脈段，恢復正常的血液流通，保障重要臟器的血液供應，降低患者的死亡風險。對于血管動脈瘤患者，大口徑人工血管能夠為擴張或薄弱的血管區域提供支撐，防止動脈瘤破裂，避免引發致命性大出血。大口徑人工血管還在一些大型血管重建手術中得到應用，如治療因外傷或腫瘤侵犯導致的大血管損傷，通過移植大口徑人工血管，可使受損血管恢復正常功能，維持身體各部位的血液灌注。小口徑人工血管則主要應用于外周病變動脈替換、晚期腎病患者透析造瘺、心臟冠脈搭橋等領域。在外周動脈疾病中，如動脈硬化閉塞癥導致的下肢動脈狹窄或閉塞，小口徑人工血管可作為旁路血管，繞過病變部位，重新建立血液循環，改善下肢的血液供應，緩解患者的疼痛、間歇性跛行等癥狀，避免因缺血導致的肢體壞死。對于晚期腎病患者，透析是維持生命的重要手段，小口徑人工血管用于建立動靜脈內瘺，為血液透析提供穩定的血管通路，確保患者能夠順利進行透析治療，清除體內的代謝廢物和多余水分，維持身體的內環境穩定。在心臟冠脈搭橋手術中，小口徑人工血管可替代狹窄或阻塞的冠狀動脈，將主動脈的血液引入心肌缺血區域，改善心肌的血液供應，緩解心絞痛癥狀，降低心肌梗死的發生風險，提高患者的生活質量和生存率。不同類型的人工血管在心血管疾病治療中各自發揮著獨特的作用，滿足了不同患者的治療需求。然而，小口徑人工血管在臨床應用中仍面臨諸多挑戰，限制了其治療效果和廣泛應用，亟待進一步研究和改進。2.1.2小口徑人工血管面臨的挑戰小口徑人工血管在心血管疾病治療中具有重要的應用前景，但目前在臨床應用中仍面臨諸多嚴峻挑戰。小口徑人工血管的管徑較小，這使得血液在其中的流速相對較慢。根據流體力學原理，流速減慢會導致血液中的血小板、凝血因子等更容易在血管壁附近聚集。當血小板與人工血管表面接觸時，會被激活并發生黏附、聚集，進而啟動凝血級聯反應，形成血栓。血栓的形成會逐漸堵塞血管管腔，導致血管狹窄甚至閉塞，嚴重影響人工血管的通暢性。有研究表明，小口徑人工血管植入后，早期血栓形成的發生率較高，這是導致其功能失效的主要原因之一。小口徑人工血管植入后，再狹窄率較高也是一個突出問題。這主要是由于血管平滑肌細胞的異常增殖和遷移。當人工血管植入體內后，機體的免疫系統會對其產生一定的免疫反應，釋放多種細胞因子和生長因子。這些因子會刺激血管平滑肌細胞從血管中層向內膜遷移，并大量增殖，導致內膜增厚。內膜增厚會使血管管腔變窄，阻礙血液流動，最終引發再狹窄。此外，炎癥反應和氧化應激等因素也會進一步促進再狹窄的發生發展。臨床數據顯示，小口徑人工血管植入后的長期再狹窄率可達50%以上，這極大地限制了其在臨床上的廣泛應用。小口徑人工血管的內皮化困難是另一個亟待解決的關鍵問題。內皮細胞覆蓋在血管內壁，具有抗凝、抗血栓形成和調節血管張力等重要功能。對于小口徑人工血管而言，快速實現內皮化是提高其血液相容性和長期通暢性的關鍵。然而，現有的人工血管材料大多為合成材料，其表面缺乏細胞識別位點和生物活性信號，難以支持內皮細胞的黏附和生長。內皮細胞在人工血管表面的黏附、增殖和遷移能力較弱，導致人工血管難以在短時間內實現完全內皮化。未內皮化的人工血管表面容易激活血小板和凝血系統，增加血栓形成的風險。因此，如何促進內皮細胞在小口徑人工血管表面的黏附和生長，實現快速內皮化，是當前研究的重點和難點之一。綜上所述，小口徑人工血管面臨的血液流速慢、再狹窄率高、內皮化困難等問題，嚴重制約了其臨床應用效果和推廣。為了突破這些瓶頸，需要深入研究人工血管的功能修飾和再生調控機制，開發新型的材料和技術，以提高小口徑人工血管的性能，滿足臨床治療的需求。二、人工血管再生調控與功能修飾的理論基礎2.2人工血管再生調控機制2.2.1細胞層面的再生機制血管再生是一個復雜而有序的生物學過程，其中內皮細胞和平滑肌細胞在這一過程中扮演著至關重要的角色。內皮細胞作為血管內壁的主要組成部分，是血管再生的起始點和關鍵參與者。在血管損傷或缺血等刺激下，內皮細胞被激活，從靜止狀態進入細胞周期，開始進行活躍的增殖。這一過程受到多種生長因子和細胞因子的精確調控，其中血管內皮生長因子（VEGF）是最為關鍵的調控因子之一。VEGF能夠與內皮細胞表面的特異性受體結合，激活下游的信號通路，如PI3K/AKT、MAPK等，從而促進內皮細胞的增殖。內皮細胞還會發生遷移，朝著損傷部位或缺血區域移動。遷移過程中，內皮細胞通過伸出偽足與細胞外基質相互作用，借助整合素等受體感知周圍環境的信號，沿著趨化因子濃度梯度向目標區域遷移。隨著內皮細胞的增殖和遷移，它們逐漸形成新的血管芽，這些血管芽不斷延伸、融合，最終形成新的血管管腔。新形成的內皮細胞還會分泌一系列細胞外基質成分，如膠原蛋白、層粘連蛋白等，構建起穩定的血管基底膜，為血管的進一步成熟和功能維持提供支撐。平滑肌細胞在血管再生中也發揮著不可或缺的作用。當內皮細胞啟動血管再生過程后，平滑肌細胞會被募集到新生血管周圍。血小板源生長因子（PDGF）在這一過程中起到關鍵的誘導作用。PDGF由血小板、內皮細胞等多種細胞分泌，它能夠與平滑肌細胞表面的PDGFR受體結合，激活下游信號通路，促使平滑肌細胞增殖并遷移到新生血管部位。平滑肌細胞遷移到血管周圍后，會圍繞內皮細胞形成多層結構，逐漸分化為成熟的血管平滑肌細胞。在分化過程中，平滑肌細胞會表達一系列特異性的標志物，如α-平滑肌肌動蛋白（α-SMA）等，這些標志物的表達增強了平滑肌細胞的收縮能力和穩定性。平滑肌細胞通過其收縮和舒張功能，調節血管的直徑和張力，維持血管的正常生理功能。平滑肌細胞還能分泌多種細胞外基質成分，如彈性蛋白、纖連蛋白等，參與血管壁的構建和重塑，增強血管的力學性能，使其能夠承受血流的壓力。內皮細胞和平滑肌細胞在血管再生過程中相互協作，共同完成血管的再生和修復。內皮細胞的增殖、遷移和管腔形成是血管再生的基礎，而平滑肌細胞的募集、增殖、分化和對血管壁的構建則為血管提供了穩定性和功能支持。深入理解這兩種細胞在血管再生中的作用機制，對于開發促進人工血管再生的策略具有重要的理論指導意義。2.2.2分子層面的信號通路在血管再生過程中，多種分子層面的信號通路相互交織，共同調控著細胞的行為和血管的生成，其中血管內皮生長因子（VEGF）信號通路和血小板源生長因子（PDGF）信號通路發揮著關鍵作用。VEGF信號通路在血管再生中處于核心地位。VEGF家族包括VEGF-A、VEGF-B、VEGF-C和VEGF-D等多個成員，其中VEGF-A是血管生成最主要的調控因子。VEGF-A通過與血管內皮細胞表面的特異性受體VEGFR1和VEGFR2結合，激活下游一系列復雜的信號傳導過程。當VEGF-A與VEGFR2結合后，首先引發受體二聚化和自身磷酸化，進而激活磷脂酰肌醇-3激酶（PI3K）/蛋白激酶B（AKT）通路。PI3K被激活后，催化磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（PIP2）生成磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸（PIP3），PIP3招募AKT到細胞膜上并使其磷酸化激活。活化的AKT通過調節下游的多種靶蛋白，如哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）、糖原合成酶激酶-3β（GSK-3β）等，促進內皮細胞的增殖、存活和遷移。VEGF-A與VEGFR2結合還會激活絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路。受體激活后，通過一系列銜接蛋白和激酶的級聯反應，最終激活細胞外信號調節激酶（ERK）1/2。磷酸化的ERK1/2進入細胞核，調節與細胞增殖、分化相關的基因表達，如促進c-myc、cyclinD1等基因的表達，從而推動內皮細胞的增殖。VEGF-A與VEGFR1結合雖然親和力較高，但信號轉導活性相對較弱，主要在血管發育早期調節內皮細胞的遷移和募集，以及單核細胞和巨噬細胞的趨化作用。VEGF信號通路還參與了血管管腔的形成和血管的重塑過程，通過調節內皮細胞之間的連接和細胞外基質的降解與合成，促進新生血管的成熟和功能完善。PDGF信號通路在血管再生中主要調控平滑肌細胞的行為。PDGF家族包括PDGF-A、PDGF-B、PDGF-C和PDGF-D等成員，它們通過與平滑肌細胞表面的PDGFRα和PDGFRβ受體結合發揮作用。當PDGF與受體結合后，受體發生二聚化和自身磷酸化，激活下游的多條信號通路。其中，磷脂酶Cγ（PLCγ）通路被激活后，PLCγ水解磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（PIP2）生成三磷酸肌醇（IP3）和二酰甘油（DAG）。IP3促使內質網釋放鈣離子，升高細胞內鈣離子濃度，激活鈣調蛋白依賴的蛋白激酶，調節細胞的收縮和增殖。DAG則激活蛋白激酶C（PKC），PKC通過磷酸化一系列靶蛋白，參與細胞的增殖、遷移和分化過程。PDGF還能激活PI3K/AKT通路，促進平滑肌細胞的存活和增殖。在血管再生過程中，PDGF信號通路對于平滑肌細胞的招募、增殖和分化至關重要。它能夠吸引平滑肌細胞遷移到新生血管周圍，促進平滑肌細胞的增殖，使其數量增加以滿足血管構建的需求。PDGF還能誘導平滑肌細胞分化為具有收縮功能的成熟表型，增強血管的穩定性和功能。PDGF信號通路與VEGF信號通路之間存在著密切的相互作用。VEGF可以誘導內皮細胞表達PDGFR，促進PDGF對平滑肌細胞的招募和作用。而PDGF調節的平滑肌細胞功能也會影響血管內皮細胞的行為和血管的整體發育。VEGF和PDGF信號通路在人工血管再生調控中起著關鍵作用。它們通過精確調節內皮細胞和平滑肌細胞的增殖、遷移、分化等生物學行為，共同推動血管再生過程的順利進行。深入研究這些信號通路的調控機制，為通過功能修飾干預人工血管再生提供了重要的分子靶點和理論依據。2.3功能修飾的原理與方法2.3.1常見的功能修飾材料聚多巴胺（PDA）是一種基于貽貝粘附蛋白的仿生材料，具有獨特的粘附性能和生物相容性。其結構中含有大量的鄰苯二酚基團，這些基團在堿性條件下能夠發生氧化聚合反應，形成聚多巴胺涂層。聚多巴胺涂層可以牢固地附著在各種材料表面，包括金屬、陶瓷、聚合物等。聚多巴胺涂層還具有良好的親水性，能夠降低材料表面的粗糙度，減少血小板的粘附和聚集，從而提高材料的血液相容性。聚多巴胺涂層富含的鄰苯二酚和氨基等活性基團，能夠與多種生物分子，如生長因子、細胞粘附肽等進行共價結合，為人工血管表面引入生物活性信號，促進內皮細胞的黏附和生長。在組織工程小口徑血管支架的研究中，將聚多巴胺涂層修飾在電紡聚乳酸-己內酯共聚物（PLCL）取向纖維表面，能夠增強支架的抗血栓形成能力，同時通過增強細胞-基質間和細胞-細胞間的相互作用，促進血管內皮層再生和功能重塑。賴氨酸（Lys）是一種含雙氨基官能團的小分子，具有特異性吸附纖溶酶原溶解血栓的能力。在功能修飾中，賴氨酸常作為小分子交聯劑介導聚多巴胺聚合。賴氨酸可以通過Schiff堿和Michael加成反應等，促進多巴胺在纖維表面聚合沉積，形成功能性的PDA-Lys涂層。研究發現，在賴氨酸促進聚多巴胺聚合過程中，Schiff堿反應程度明顯高于Michael加成反應程度。引入賴氨酸后，可顯著降低聚多巴胺涂層表面粗糙度，但隨著賴氨酸含量的提高，纖維表面粗糙度又會逐漸上升，這主要歸因于過量的賴氨酸引入重新提高了涂層內部的非共價鍵數量。相比單純的聚多巴胺涂層，PDA-Lys涂層在不影響支架力學性能的情況下，能夠增強涂層結構穩定性、親水性和蛋白吸附性能。PDA-Lys涂層還能有效提高PLCL纖維材料的血液相容性，在不影響纖維蛋白原吸附的情況下抑制其結構轉變，抑制血小板粘附和激活，并誘導巨噬細胞向M2表型轉變，表現出良好的抗血栓形成功效。AT-RvD1是一種內源性脂質介質，具有強大的抗炎和促解決特性。在血管再生過程中，炎癥反應的過度激活會對組織造成損害，影響血管再生的進程。AT-RvD1能夠通過與特定的受體結合，調節炎癥細胞的功能，抑制炎癥因子的釋放，促進炎癥的消退。在人工血管的功能修飾中，引入AT-RvD1可以營造一個有利于血管再生的微環境。它能夠抑制巨噬細胞的活化和炎癥因子的分泌，減少炎癥對人工血管和周圍組織的損傷。AT-RvD1還可以促進內皮細胞的增殖和遷移，增強內皮細胞的功能，從而加速人工血管的內皮化進程，提高血管的通暢性和穩定性。在體內實驗中，修飾有AT-RvD1的人工血管植入后，周圍組織的炎癥反應明顯減輕，血管內皮化速度加快，血管再生效果顯著優于未修飾的人工血管。這些常見的功能修飾材料，通過各自獨特的物理化學性質和生物學活性，在改善人工血管的血液相容性、促進內皮細胞黏附和生長以及調控血管組織再生等方面發揮著重要作用。它們為人工血管的功能修飾提供了豐富的選擇，推動了人工血管研究的不斷發展。2.3.2功能修飾技術手段靜電紡絲技術是一種制備納米纖維的常用方法，在人工血管功能修飾中具有獨特的優勢。其原理是利用高壓電場使聚合物溶液或熔體在噴頭處形成帶電液滴，當電場力克服液體表面張力時，液滴被拉伸成細流，并在飛行過程中溶劑揮發或固化，最終在接收裝置上形成納米纖維。通過調整靜電紡絲的參數，如電壓、流速、噴頭與接收裝置的距離等，可以精確控制納米纖維的直徑、取向和孔隙率。對于人工血管的制備，靜電紡絲技術能夠制備出具有高孔隙率和良好力學性能的纖維支架。高孔隙率有利于細胞的黏附、增殖和遷移，為血管組織再生提供了良好的空間結構。通過對靜電紡絲纖維進行功能修飾，可以進一步賦予人工血管特殊的性能。在紡絲溶液中加入具有生物活性的分子，如生長因子、細胞粘附肽等，這些分子會隨著纖維的形成而被包裹在纖維內部或附著在纖維表面。當人工血管植入體內后，這些生物活性分子能夠緩慢釋放，持續發揮促進細胞增殖、分化和血管再生的作用。將血管內皮生長因子（VEGF）添加到靜電紡絲溶液中制備人工血管，VEGF在體內能夠持續釋放，吸引內皮細胞遷移到人工血管表面并增殖，加速人工血管的內皮化進程。靜電紡絲技術還可以制備多層結構的人工血管，通過不同層纖維的功能修飾，實現人工血管性能的優化。內層纖維可以修飾促進內皮細胞黏附的分子，外層纖維可以修飾增強力學性能或抗血栓形成的分子，使人工血管同時具備良好的血液相容性和力學穩定性。生物涂層技術是將生物活性物質涂覆在人工血管表面，以改善其性能的一種功能修飾方法。常見的生物涂層材料包括天然生物材料，如膠原蛋白、明膠、纖維蛋白等，以及合成生物材料，如聚乙二醇（PEG）、聚乳酸（PLA）等。生物涂層技術的操作方法主要有物理吸附、化學接枝和層層自組裝等。物理吸附是將生物涂層材料簡單地吸附在人工血管表面，這種方法操作簡便，但涂層與基底的結合力較弱，容易脫落。化學接枝則是通過化學反應將生物涂層材料與人工血管表面的活性基團連接起來，形成穩定的化學鍵，從而提高涂層的穩定性和耐久性。層層自組裝是利用帶相反電荷的生物分子之間的靜電相互作用，在人工血管表面交替沉積多層生物涂層，這種方法可以精確控制涂層的厚度和組成，實現多功能涂層的構建。采用化學接枝的方法將肝素固定在人工血管表面，肝素能夠與抗凝血酶III結合，抑制凝血因子的活性，從而發揮抗血栓形成的作用。利用層層自組裝技術，將聚陽離子和聚陰離子交替沉積在人工血管表面，構建多層生物涂層，然后在涂層中引入生長因子和細胞粘附肽等生物活性分子，這種多功能涂層不僅能夠改善人工血管的血液相容性，還能促進內皮細胞的黏附和生長，加速血管組織的再生。生物涂層技術能夠根據人工血管的具體應用需求，選擇合適的生物涂層材料和操作方法，對人工血管表面進行針對性的功能修飾，提高其在體內的性能和生物相容性。三、功能修飾對人工血管再生調控的影響機制3.1改善血液相容性3.1.1抗血栓形成在小口徑人工血管的應用中，血栓形成是導致血管失效的關鍵因素之一，而功能修飾能夠通過多種機制有效抑制血栓形成，顯著改善人工血管的血液相容性。功能修飾可通過抑制血小板黏附來降低血栓形成的風險。血小板黏附是血栓形成的起始步驟，當血液與人工血管表面接觸時，血小板會迅速黏附到材料表面。研究表明，聚多巴胺（PDA）和賴氨酸（Lys）的復合功能修飾能夠有效抑制血小板黏附。PDA-Lys涂層修飾的電紡聚乳酸-己內酯共聚物（PLCL）取向纖維，通過改變材料表面的物理化學性質，如表面粗糙度、親水性和電荷分布等，降低了血小板與材料表面的相互作用。PDA-Lys涂層具有相對平滑的表面形貌，減少了血小板的黏附位點；其超親水性增強了材料表面與水分子的相互作用，形成了一層水化膜，阻礙了血小板的接近和黏附。這種修飾還能夠調節材料表面的電荷分布，減少了因電荷吸引導致的血小板黏附。功能修飾還可以通過抑制纖維蛋白原構象轉變來抗血栓形成。纖維蛋白原是血液中的一種重要蛋白質，在血栓形成過程中，纖維蛋白原會發生構象轉變，形成纖維蛋白，進而交聯形成血栓網絡。東華大學張彥中教授課題組的研究發現，PDA-Lys涂層在不影響纖維蛋白原吸附的情況下，能夠抑制其結構轉變。這可能是由于PDA-Lys涂層與纖維蛋白原之間存在特定的相互作用，阻止了纖維蛋白原分子內或分子間的構象變化，從而抑制了纖維蛋白的形成和血栓的發展。材料表面的親水性和電荷性質對血小板黏附和纖維蛋白原構象轉變也有重要影響。親水性表面能夠降低材料與血液成分之間的界面張力，減少血小板的黏附。帶負電荷的表面可以排斥帶負電荷的血小板，從而抑制血小板的黏附和激活。一些功能修飾方法通過引入親水性基團或調節表面電荷，來改善材料的抗血栓性能。通過表面接枝聚環氧乙烷（PEO）側鏈，增加了聚合物表面的親水性，減少了表面與血液成分的相互作用，從而有效阻止了血栓形成。利用靜電紡絲技術制備的納米纖維支架，通過調節纖維表面的電荷密度和分布，能夠減少血小板的黏附和纖維蛋白原的沉積，降低血栓形成的風險。功能修飾通過抑制血小板黏附、纖維蛋白原構象轉變以及調節材料表面的親水性和電荷性質等多種機制，有效地抗血栓形成，顯著改善了人工血管的血液相容性，為小口徑人工血管的臨床應用提供了有力的支持。3.1.2調控炎癥反應炎癥反應在人工血管植入后的愈合過程中起著關鍵作用，適度的炎癥反應有助于組織修復和血管再生，而過度或持續的炎癥反應則會導致組織損傷和血栓形成，影響人工血管的性能和通暢性。功能修飾能夠通過對炎癥細胞和炎癥因子的精確調控，促進炎癥的及時消退，為人工血管的再生創造良好的微環境。功能修飾可以調節炎癥細胞的行為。巨噬細胞作為炎癥反應的重要參與者，其極化狀態對炎癥進程有著重要影響。M1型巨噬細胞具有促炎作用，能夠分泌大量的炎癥因子，如腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、白細胞介素-6（IL-6）等，引發強烈的炎癥反應；而M2型巨噬細胞則具有抗炎和促修復作用，能夠分泌抗炎因子，如白細胞介素-10（IL-10）等，促進炎癥的消退和組織修復。研究表明，PDA-Lys功能修飾的PLCL取向纖維能夠誘導巨噬細胞向M2表型轉變。這種修飾后的材料表面特性，如表面的化學組成、粗糙度和親水性等，與巨噬細胞表面的受體相互作用，激活了特定的信號通路，從而調控巨噬細胞的極化。PDA-Lys涂層的親水性和生物活性分子的存在，可能通過調節巨噬細胞內的信號轉導，如NF-κB、MAPK等信號通路，促進巨噬細胞向M2型極化，抑制炎癥因子的分泌，減輕炎癥反應。功能修飾還能夠調控炎癥因子的表達和釋放。炎癥因子在炎癥反應中起著關鍵的調節作用，功能修飾可以通過多種方式影響炎癥因子的產生和釋放。內源性脂質介質AT-RvD1具有強大的抗炎和促解決特性，將其引入人工血管的功能修飾中，可以有效抑制炎癥因子的釋放。AT-RvD1能夠與巨噬細胞、內皮細胞等表面的特定受體結合，阻斷炎癥信號通路的激活，從而抑制炎癥因子的轉錄和翻譯。在炎癥刺激下，AT-RvD1可以抑制NF-κB信號通路的活化，減少TNF-α、IL-6等炎癥因子的表達和釋放，促進炎癥的及時消退。功能修飾還可以通過調節細胞內的第二信使系統，如cAMP、Ca2+等，來影響炎癥因子的釋放。一些功能修飾材料能夠激活細胞內的腺苷酸環化酶，使cAMP水平升高，從而抑制炎癥因子的釋放。炎癥細胞和炎癥因子在人工血管植入后的愈合過程中相互作用，形成了復雜的調控網絡。功能修飾通過對這一網絡的精準調控，促進了炎癥的及時消退，為人工血管的再生提供了有利的微環境。通過誘導巨噬細胞向M2型極化，減少了促炎因子的分泌，同時增加了抗炎因子的產生，從而減輕了炎癥對人工血管和周圍組織的損傷。抑制炎癥因子的釋放，避免了炎癥的過度激活，有利于血管內皮細胞的增殖和遷移，促進人工血管的內皮化進程。功能修飾對炎癥細胞和炎癥因子的調控作用，在促進炎癥及時消退方面發揮了重要作用，為改善人工血管的血液相容性和促進血管再生提供了新的策略和方法。3.2促進內皮化3.2.1細胞黏附和增殖功能修飾對內皮細胞與血管支架的黏附以及內皮細胞增殖具有顯著的促進作用，這一過程涉及多個層面的機制。從材料表面特性的改變來看，聚多巴胺（PDA）和賴氨酸（Lys）的復合功能修飾展現出獨特的優勢。PDA-Lys涂層修飾的電紡聚乳酸-己內酯共聚物（PLCL）取向纖維，其表面的物理化學性質發生了一系列變化。表面粗糙度的改變對細胞黏附有著重要影響。研究表明，PDA-Lys涂層在一定程度上降低了纖維表面的粗糙度，形成了相對平滑的表面形貌。這種平滑的表面減少了細胞黏附的物理障礙，使內皮細胞更容易在材料表面附著。表面的超親水性也是促進細胞黏附的關鍵因素。PDA-Lys涂層具有良好的親水性，能夠增強材料表面與水分子的相互作用，形成一層水化膜。這層水化膜不僅降低了材料表面的表面能，還為內皮細胞提供了一個更適宜的微環境，促進了細胞與材料表面的接觸和黏附。在細胞-基質相互作用方面，功能修飾后的材料表面能夠與內皮細胞表面的受體發生特異性結合，從而增強細胞-基質間的相互作用。PDA-Lys涂層富含的活性基團，如鄰苯二酚和氨基等，能夠與內皮細胞表面的整合素等受體結合，激活細胞內的信號通路。這些信號通路的激活，促進了細胞骨架的重組和黏著斑的形成，增強了內皮細胞與材料表面的黏附力。黏著斑是細胞與細胞外基質之間的重要連接結構，它不僅能夠提供細胞黏附的力學支撐，還能夠傳遞細胞外的信號，調節細胞的增殖、遷移等生物學行為。功能修飾對內皮細胞增殖的促進作用也與細胞內的信號傳導密切相關。當內皮細胞與功能修飾后的材料表面黏附后，細胞內的信號通路被激活，其中磷脂酰肌醇-3激酶（PI3K）/蛋白激酶B（AKT）信號通路在這一過程中發揮著關鍵作用。PI3K被激活后，催化磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（PIP2）生成磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸（PIP3）。PIP3招募AKT到細胞膜上并使其磷酸化激活。活化的AKT通過調節下游的多種靶蛋白，如哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）、糖原合成酶激酶-3β（GSK-3β）等，促進內皮細胞的增殖。mTOR是細胞生長和增殖的關鍵調節因子，它能夠調節蛋白質合成、細胞周期進程等，從而促進細胞的增殖。GSK-3β則通過調節細胞周期蛋白的穩定性，影響細胞的增殖。功能修飾通過改變材料表面特性，增強細胞-基質間的相互作用，以及激活細胞內的信號傳導通路，顯著促進了內皮細胞與血管支架的黏附和內皮細胞的增殖，為人工血管的內皮化提供了有力的支持。3.2.2細胞分化和功能成熟功能修飾對內皮細胞分化為成熟功能細胞的影響是一個復雜而有序的過程，涉及多種信號通路和分子機制的協同調控。從細胞分化的角度來看，功能修飾能夠調節內皮細胞的基因表達，促使其向成熟功能細胞方向分化。研究表明，PDA-Lys功能修飾的PLCL取向纖維可以通過激活特定的信號通路，影響內皮細胞中與分化相關基因的表達。其中，血管內皮生長因子（VEGF）信號通路在這一過程中發揮著重要作用。PDA-Lys涂層的存在可能增強了內皮細胞對VEGF的敏感性，促進了VEGF與其受體的結合。當VEGF與受體結合后，激活下游的信號傳導，如PI3K/AKT、MAPK等信號通路。這些信號通路的激活，調節了內皮細胞中與分化相關基因的表達，如促進內皮型一氧化氮合酶（eNOS）、血管性血友病因子（vWF）等基因的表達。eNOS是合成一氧化氮（NO）的關鍵酶，NO具有舒張血管、抑制血小板黏附和聚集等重要功能，是內皮細胞成熟的重要標志之一。vWF則參與血小板的黏附和聚集過程，對維持血管的正常止血功能至關重要。在細胞功能成熟方面，功能修飾后的材料表面能夠為內皮細胞提供適宜的微環境，促進其功能的成熟和完善。PDA-Lys涂層的親水性和生物活性，有助于維持內皮細胞的正常形態和功能。它能夠調節內皮細胞的代謝活動，促進其分泌多種生物活性物質，如一氧化氮、前列環素等。這些生物活性物質在調節血管張力、抑制血栓形成等方面發揮著重要作用。一氧化氮能夠舒張血管平滑肌，降低血管阻力，增加血流量；前列環素則具有強大的抗血小板聚集作用，能夠抑制血栓的形成。功能修飾還可以調節內皮細胞間的連接，增強內皮細胞層的完整性和屏障功能。通過促進緊密連接蛋白，如ZO-1、occludin等的表達和組裝，功能修飾后的材料表面能夠增強內皮細胞之間的連接，減少血管壁的通透性，防止血液成分的滲漏和炎癥細胞的浸潤。功能修飾通過調節內皮細胞的基因表達和提供適宜的微環境，有效地促進了內皮細胞向成熟功能細胞的分化和功能成熟，為人工血管內皮化后的正常功能發揮奠定了堅實的基礎。3.3影響平滑肌細胞功能3.3.1平滑肌細胞的增殖與遷移平滑肌細胞在血管組織再生中扮演著重要角色，其增殖和遷移到血管壁合適位置的過程受到多種因素的調控，而功能修飾在這一過程中發揮著關鍵作用。從增殖角度來看，功能修飾能夠調節平滑肌細胞的增殖活性。血小板源生長因子（PDGF）在平滑肌細胞增殖中起著重要的調控作用。當人工血管進行功能修飾后，其表面特性的改變可能影響PDGF與其受體的結合以及下游信號通路的激活。研究表明，聚多巴胺（PDA）和賴氨酸（Lys）的復合功能修飾，通過改變材料表面的物理化學性質，如表面粗糙度、親水性和電荷分布等，可能影響PDGF在材料表面的吸附和活性。這種修飾可能改變了PDGF與平滑肌細胞表面PDGFR受體的相互作用方式，進而影響了PDGF信號通路的激活。PDGF與受體結合后，可激活磷脂酶Cγ（PLCγ）通路。PLCγ水解磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（PIP2）生成三磷酸肌醇（IP3）和二酰甘油（DAG）。IP3促使內質網釋放鈣離子，升高細胞內鈣離子濃度，激活鈣調蛋白依賴的蛋白激酶，調節細胞的增殖。DAG則激活蛋白激酶C（PKC），PKC通過磷酸化一系列靶蛋白，參與細胞的增殖過程。功能修飾后的材料表面可能通過調節這些信號通路，促進或抑制平滑肌細胞的增殖，使其在血管壁構建過程中達到合適的數量。在遷移方面，功能修飾對平滑肌細胞遷移到血管壁合適位置的影響也十分顯著。平滑肌細胞的遷移是一個復雜的過程，涉及細胞與細胞外基質的相互作用、細胞骨架的重塑以及信號通路的調節。功能修飾后的人工血管表面能夠為平滑肌細胞提供不同的信號和微環境，從而影響其遷移行為。PDA-Lys涂層修飾的電紡聚乳酸-己內酯共聚物（PLCL）取向纖維，其表面的親水性和生物活性可能增強了平滑肌細胞與材料表面的黏附力。這種增強的黏附力為平滑肌細胞的遷移提供了更好的支撐點，使其能夠更有效地在材料表面爬行。PDA-Lys涂層還可能通過調節細胞內的信號通路，如RhoA/ROCK信號通路，影響細胞骨架的重塑。RhoA是一種小GTP酶，它可以激活下游的ROCK激酶，ROCK激酶通過磷酸化肌動蛋白結合蛋白，調節肌動蛋白絲的組裝和解聚，從而影響細胞的遷移。功能修飾后的材料表面可能通過調節RhoA/ROCK信號通路，促進平滑肌細胞的遷移，使其能夠準確地遷移到血管壁的合適位置，參與血管壁的構建和重塑。功能修飾通過調節平滑肌細胞的增殖和遷移，使其能夠在血管組織再生過程中發揮正常的功能，為構建穩定、功能完善的血管壁提供了保障。3.3.2細胞外基質的合成與重塑平滑肌細胞在血管組織再生中，不僅要進行增殖和遷移，還需要合成和重塑細胞外基質，以增強血管的力學性能，而功能修飾在這一過程中發揮著重要的調控作用。從細胞外基質的合成角度來看，功能修飾能夠影響平滑肌細胞對細胞外基質成分的合成。平滑肌細胞合成的細胞外基質主要包括膠原蛋白、彈性蛋白、纖連蛋白等，這些成分對于維持血管的結構和功能至關重要。研究表明，功能修飾后的人工血管表面特性的改變，能夠調節平滑肌細胞內與細胞外基質合成相關基因的表達。通過對聚多巴胺（PDA）和賴氨酸（Lys）功能修飾的研究發現，這種修飾可能通過激活特定的信號通路，如絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）信號通路，影響平滑肌細胞中與膠原蛋白、彈性蛋白等合成相關基因的轉錄和翻譯。MAPK信號通路被激活后，通過一系列激酶的級聯反應，最終激活細胞外信號調節激酶（ERK）1/2。磷酸化的ERK1/2進入細胞核，調節與細胞外基質合成相關基因的表達，促進膠原蛋白、彈性蛋白等的合成。功能修飾還可能通過調節細胞內的轉錄因子，如Snail、Twist等，影響細胞外基質成分的合成。這些轉錄因子可以與相關基因的啟動子區域結合，調控基因的表達，從而影響平滑肌細胞對細胞外基質成分的合成。在細胞外基質的重塑方面，功能修飾同樣發揮著關鍵作用。細胞外基質的重塑是一個動態的過程，涉及基質金屬蛋白酶（MMPs）對細胞外基質的降解以及新基質的合成和沉積。功能修飾后的人工血管表面能夠調節平滑肌細胞中MMPs的表達和活性。研究發現，PDA-Lys功能修飾可以通過調節平滑肌細胞內的信號通路，如NF-κB信號通路，影響MMPs的表達。當NF-κB信號通路被激活時，會促進MMPs基因的轉錄和表達，從而增加MMPs的活性。MMPs能夠降解細胞外基質中的膠原蛋白、彈性蛋白等成分，為新的細胞外基質沉積提供空間。功能修飾還可以調節平滑肌細胞對降解后的細胞外基質碎片的清除和再利用。通過調節細胞內的自噬途徑，功能修飾后的人工血管表面能夠促進平滑肌細胞對細胞外基質碎片的攝取和降解，將其轉化為小分子物質，用于新的細胞外基質合成。功能修飾通過影響平滑肌細胞對細胞外基質的合成和重塑，增強了血管的力學性能，使其能夠更好地適應體內的生理環境，為人工血管的長期穩定和功能發揮提供了重要保障。/10.1016/j.apmt.2021.101198四、功能修飾在人工血管再生調控中的案例分析4.1東華大學PDA-Lys涂層修飾案例4.1.1實驗設計與方法東華大學張彥中教授課題組在組織工程小口徑血管研究中，針對小口徑血管組織工程領域面臨的關鍵問題，即如何賦予組織工程化血管高效抗凝并誘導其快速內皮化，開展了一系列創新性研究。該研究以聚乳酸-己內酯共聚物（PLCL）為支架材料，這是因為PLCL具有優異的力學順應性、可操控性和生物可降解性等優點，在小口徑血管組織工程領域展現出巨大的臨床應用潛力。然而，PLCL的生物惰性使其缺乏生物活性位點，雖能在一定程度上抑制血液蛋白吸附和血小板等的粘附，利于抑制血栓形成，但卻阻礙了血管內皮層快速再生和基質重塑。為解決這一問題，課題組受到天然貽貝粘附機理的啟發，選用具有特異性吸附纖溶酶原溶解血栓能力、含雙氨基官能團的賴氨酸（Lys）作為小分子交聯劑介導聚多巴胺（PDA）聚合。具體實驗過程如下：首先，通過靜電紡絲技術制備PLCL取向纖維支架。靜電紡絲技術能夠精確控制纖維的直徑、取向和孔隙率，制備出的PLCL取向纖維支架具有良好的力學性能和三維結構，為后續的功能修飾和細胞生長提供了理想的支撐。在制備過程中，通過調整靜電紡絲的參數，如電壓、流速、噴頭與接收裝置的距離等，確保纖維的質量和性能符合實驗要求。接著，進行PDA-Lys涂層修飾。將制備好的PLCL取向纖維支架浸泡在含有多巴胺和賴氨酸的溶液中，在弱堿性條件下，多巴胺發生氧化聚合反應，賴氨酸則通過Schiff堿和Michael加成反應等促進多巴胺在纖維表面聚合沉積，從而在PLCL取向纖維表面形成PDA-Lys功能性涂層。在這個過程中，研究人員精確控制反應條件，包括溶液的濃度、反應時間、溫度等，以確保涂層的質量和性能。通過改變賴氨酸的含量，研究不同含量的賴氨酸對PDA涂層的影響，探索最佳的修飾條件。在修飾完成后，對PDA-Lys功能修飾的PLCL取向纖維材料進行了全面的性能測試。利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察纖維的整體形貌和單根纖維表面形貌，以了解涂層修飾前后纖維表面的微觀結構變化。通過接觸角測量儀測試涂層的親水性，評估修飾后材料表面的潤濕性。采用蛋白吸附實驗檢測涂層對蛋白質的吸附性能，分析修飾對材料表面與蛋白質相互作用的影響。這些測試手段從多個角度全面地分析了PDA-Lys功能修飾對PLCL取向纖維材料理化性能的影響，為后續研究提供了重要的基礎數據。4.1.2實驗結果與分析在抗血栓性能方面，實驗結果顯示，Lys引入后顯著提高了PLCL纖維材料的血液相容性。通過溶血和凝血相關實驗驗證，發現PDA-Lys涂層在不影響纖維蛋白原吸附的情況下，能夠有效抑制其結構轉變。這一發現具有重要意義，因為纖維蛋白原的結構轉變是血栓形成的關鍵步驟之一，抑制其轉變可以有效降低血栓形成的風險。從微觀角度來看，PDA-Lys涂層與纖維蛋白原之間的相互作用改變了纖維蛋白原的分子構象，使其難以發生導致血栓形成的結構變化。PDA-Lys涂層還能夠抑制血小板粘附和激活。血小板的粘附和激活是血栓形成的起始環節，PDA-Lys涂層通過改變材料表面的物理化學性質，如表面粗糙度、親水性和電荷分布等，降低了血小板與材料表面的相互作用。表面的超親水性使血小板難以在材料表面附著，而相對平滑的表面形貌減少了血小板的粘附位點，從而有效抑制了血小板的粘附和激活。研究還發現，PDA-Lys涂層能夠誘導巨噬細胞向M2表型轉變。M2型巨噬細胞具有抗炎和促修復作用，能夠分泌抗炎因子，促進炎癥的消退和組織修復。PDA-Lys涂層通過調節巨噬細胞內的信號轉導，如NF-κB、MAPK等信號通路，促進巨噬細胞向M2型極化，抑制炎癥因子的分泌，減輕炎癥反應，進一步降低了血栓形成的風險。在促進內皮化方面，PDA-Lys功能修飾對內皮細胞（ECs）功能表達產生了積極影響。Lys引入后，顯著促進了ECs的粘附。通過細胞粘附實驗可以觀察到，內皮細胞在PDA-Lys涂層修飾的PLCL纖維表面的粘附數量明顯增加，粘附強度也顯著增強。這是因為PDA-Lys涂層富含的活性基團，如鄰苯二酚和氨基等，能夠與內皮細胞表面的整合素等受體結合，激活細胞內的信號通路，促進細胞骨架的重組和黏著斑的形成，增強了內皮細胞與材料表面的黏附力。PDA-Lys涂層還能通過增強細胞-基質間的相互作用和細胞-細胞間的相互作用，促進內皮層致密結構的形成及其功能表達。在細胞-基質相互作用方面，涂層與內皮細胞表面受體的特異性結合，為內皮細胞提供了更好的生長環境，促進了細胞的增殖和遷移。在細胞-細胞相互作用方面，PDA-Lys涂層促進了內皮細胞之間的緊密連接，增強了內皮層的完整性和屏障功能。通過免疫熒光染色等技術可以觀察到，內皮細胞在PDA-Lys涂層修飾的PLCL纖維表面形成了更加致密、有序的內皮層結構，并且表達了更多與內皮細胞功能相關的標志物，如內皮型一氧化氮合酶（eNOS）、血管性血友病因子（vWF）等，表明內皮層的功能得到了有效提升。在血管重塑方面，選用兔頸動脈為血管缺損模型，將直徑為2mm的小口徑血管支架植入。植入1月后，純PLCL對照組和PDA功能修飾的PLCL組均發生血管堵塞。通過組織學染色和免疫熒光結果分析，發現PLCL對照組主要因內膜增生引起血管堵塞，而PDA組因血栓形成堵塞血管。這說明單純的PLCL支架和僅進行PDA修飾的支架在血管重塑方面存在明顯不足。相反，PDA-Lys功能修飾的實驗組卻形成明顯的取向細胞層，經免疫熒光染色可見明顯的內皮層和平滑基層形成，表現出較好的血管重塑現象。這表明PDA-Lys涂層能夠有效促進血管內皮層和平滑基層的再生，抑制急性血栓形成，呈現出誘導血管組織健康重塑的潛力。繼續觀察2-3月后，發現PDA-Lys修飾的支架內腔表面再生內皮層不斷趨于完善。通過分析平滑肌細胞收縮型晚期標志物和早期標志物的比值，發現平滑肌層也逐漸趨向成熟，趨近于天然血管組織。這進一步證明了PDA-Lys涂層修飾技術在促進血管組織再生和重塑方面的有效性，為提高組織工程化PLCL纖維基小口徑血管的通暢率提供了一種切實可行的改進策略。4.2南開大學聚合物纖維增強型細胞外基質血管案例4.2.1技術創新點南開大學生命科學學院、藥物化學生物學國家重點實驗室孔德領教授團隊在人工血管研究領域取得了重大突破，創新性地建立了“聚合物纖維增強型細胞外基質小口徑組織工程血管”制備技術。這一技術的創新之處在于巧妙地將聚合物纖維骨架和體內組織工程技術相結合。從技術原理上看，團隊受到隧道建筑工程學的啟發，將聚合物熔融紡絲技術應用于人工血管的制備。通過熔融紡絲技術制備的聚合物纖維骨架，猶如建筑中的鋼筋，為人工血管提供了堅實的力學支持。這種纖維骨架能夠承受一定的壓力和張力，保證人工血管在體內復雜的生理環境中保持穩定的結構，不易發生破裂、變形等問題。在體內組織工程技術方面，團隊將制備好的聚合物纖維骨架植入宿主皮下。宿主的細胞和細胞外基質會逐漸填充到纖維骨架的孔隙中，就像混凝土填充在鋼筋之間一樣。經過一段時間的培養，宿主對纖維骨架完成組織包裹，形成含細胞生物管。隨后，通過脫細胞處理，去除生物管中的細胞成分，得到聚己內酯纖維骨架增強型細胞外基質人工血管。這種制備方法充分利用了宿主自身的組織再生能力，為人工血管提供了優異的再生微環境。宿主來源的細胞外基質中含有豐富的生物活性分子，如膠原蛋白、彈性蛋白、生長因子等，這些分子能夠促進細胞的黏附、增殖和分化，有利于血管組織的再生和重塑。該技術還具有個性化制備的優勢。通過調整聚合物纖維骨架的結構和參數，以及選擇不同的宿主和植入部位，能夠滿足不同部位和形狀血管移植的需求。在兔子、犬和羊等動物實驗中，團隊成功實現了個性化制備，為臨床應用提供了更多的可能性。這種技術創新為解決小口徑人工血管力學性能不足和再生能力差的問題提供了有效的解決方案，為小口徑人工血管的研發開辟了新的道路。4.2.2臨床前與臨床試驗效果在臨床前研究中，孔德領教授團隊對聚合物纖維骨架增強型細胞外基質人工血管進行了系統的評估。通過體外力學測試，研究人員詳細分析了骨架結構與血管力學性能之間的關系。結果表明，該人工血管具有出色的力學性能，能夠承受高達[X]MPa的拉伸強度，這一數值明顯優于傳統的小口徑人工血管。在大鼠腹主動脈移植實驗中，研究團隊深入探究了血管力學與血管再生之間的構效關系。實驗結果顯示，該人工血管在體內能夠保持良好的結構穩定性，同時促進血管內皮細胞和平滑肌細胞的再生。移植后的血管內皮化程度在[X]周內達到了[X]%，平滑肌細胞的覆蓋率也在[X]周內達到了[X]%，呈現出良好的血管再生效果。為了進一步驗證該人工血管的有效性和安全性，團隊進行了大動物犬頸動脈長期移植實驗。以醫用的進口ePTFE血管產品作為對照組，對兩種血管的性能進行了全面對比。實驗結果令人振奮，在移植7個月后，聚合物纖維骨架增強型細胞外基質人工血管和ePTFE血管都保持了100%的通暢率。然而，在血管內皮化、平滑肌再生、ECM重塑及血管順應性等關鍵指標上，該人工血管均顯著優于ePTFE血管。特別值得一提的是，移植7個月后的人工血管能夠對乙酰膽堿和腎上腺素的刺激產生收縮與舒張響應，這表明它在大動物體內成功再生成為了具有生理功能的“活血管”。相比之下，ePTFE血管在這些方面表現不佳，沒有展現出明顯的內皮化和任何收縮與舒張功能。在血液透析血管通路的臨床前研究中，團隊采用羊頸動脈-頸靜脈造瘺（AVG）模型進行實驗。實驗結果顯示，該人工血管具有良好的穿刺閉合性能，植入后可實現即刻穿刺。在為期3個月的實驗中，人工血管實現了良好的血管再生，并與皮下組織實現了有效整合，沒有發生透析血管常見的感染現象。這表明該人工血管在血液透析血管通路應用中具有良好的安全性和有效性。在臨床試驗方面，2022年，團隊與領博生物科技（杭州）有限公司聯合研發的血管產品進入血液透析血管通路臨床試驗。目前已完成了首批20例臨床入組，最長時間的患者已經超過10個月。在前3個月的觀察中，實驗效果良好，未出現不良事件。靜脈吻合口狹窄是移植血管動靜脈內瘺（AVG）最常見的并發癥，但在這20例臨床實驗中，僅出現3例患者靜脈吻合口狹窄，在經過球囊擴張處理后血管再次通暢。這一結果表明，該人工血管在臨床試驗中展現出了良好的應用前景。2024年5月，由重醫附一院血管外科牽頭的生物型人工血管三期臨床試驗項目正式啟動。這標志著該產品向著臨床應用邁出了更為堅實的一步。此前，該產品在重醫附一院及鄭州大學第一附屬醫院完成20例患者入組，并進行了超一年的隨訪（最長21個月）。這些臨床試驗的開展和初步結果，為該人工血管的臨床應用提供了有力的支持，有望為終末期腎病患者等需要小口徑人工血管的患者帶來新的治療選擇。4.3AT-RvD1功能化修飾案例4.3.1材料制備與性能在組織工程與再生醫學領域，為了有效調控人工血管植入后的炎癥反應，促進血管組織再生，科研人員利用靜電紡絲技術成功制備出負載阿司匹林觸發的消退素（AT-RvD1）的生物可降解聚酯人工血管。這種制備方法具有獨特的優勢，能夠將AT-RvD1均勻地負載到生物可降解聚酯支架上，為人工血管賦予了良好的抗炎和促組織再生性能。制備過程嚴格且精細。首先，配制生物可降解聚酯溶液。選取聚己內酯（PCL）、聚丙交酯-乙交酯共聚物（PLGA）、聚丙交酯-己內酯共聚物（PLCL）、聚羥基脂肪酸酯（PHA）等生物可降解聚酯中的一種或幾種混合物作為原料，將其溶于氯仿/甲醇混合溶劑，其中氯仿與甲醇的體積比精確控制為5∶1。溶液在磁力攪拌機上攪拌過夜，以確保生物可降解聚酯充分溶解，得到質量/體積濃度為20％的生物可降解聚酯溶液。接著，配制含有AT-RvD1的靜電紡絲溶液。將AT-RvD1溶解于雙蒸水中，配置成0.1-1.0μg/ml的AT-RvD1溶液。待生物可降解聚酯溶液完全溶解后，將0.1-1.0μg/ml濃度的AT-RvD1加入上述生物可降解聚酯溶液，攪拌3小時，使AT-RvD1均勻分散在溶液中，制成含有AT-RvD1的靜電紡絲溶液。最后進行靜電紡絲，制備含有AT-RvD1的生物可降解聚酯人工血管。靜電紡絲條件為：流速控制在6-12ml/h，電壓設置為10-16kv，接收距離為12-20cm，管狀支架的接收器是直徑為2-6mm的不銹鋼棒。在靜電紡絲過程中，帶電的聚合物溶液在電場力的作用下，從噴頭中噴出并拉伸成細絲，隨著溶劑的揮發，細絲逐漸固化并沉積在接收器上，形成含有AT-RvD1的生物可降解聚酯人工血管。將得到的人工血管置于真空干燥箱中干燥，去除殘留的溶劑和水分，確保人工血管的質量和性能穩定。通過這種方法制備的AT-RvD1功能化修飾的人工血管具有良好的力學性能。靜電紡絲制備的纖維材料纖維形貌均勻，纖維直徑分布在納米級到微米級之間，形成的多孔纖維結構具有粗絲大孔的特點，這種結構有利于細胞浸潤和組織生長。支架具有一定的拉伸強度和柔韌性，能夠承受一定的壓力和張力，在體內復雜的生理環境中保持穩定的結構，不易發生破裂、變形等問題。AT-RvD1包裹在生物可降解聚酯纖維中，能夠緩慢穩定地在血管植入部位釋放。通過高效液相色譜（HPLC）定量檢測AT-RvD1在AT-RvD1/pcl人工血管中體外釋放規律，發現其能夠在較長時間內持續釋放，起到原位抗炎和促進組織再生的效果。這是因為生物可降解聚酯在體內會逐漸降解，AT-RvD1隨著聚酯的降解而緩慢釋放，從而持續發揮其生物活性作用。4.3.2對炎癥和組織再生的影響AT-RvD1功能化修飾在調節炎癥反應和促進血管組織再生方面發揮著關鍵作用，這對于提高人工血管的性能和促進血管修復具有重要意義。在炎癥反應調節方面，當人工血管植入體內后，不可避免地會引發炎癥反應。如果炎癥反應得不到有效調控，就會因長期慢性炎癥反應而影響血管組織再生。AT-RvD1作為一種內源性脂質介質，具有強大的抗炎和促解決特性。它可以與炎癥細胞表面的特定受體結合，調節炎癥細胞的功能。在巨噬細胞的調節上，AT-RvD1能夠抑制巨噬細胞的活化，減少其向炎癥部位的募集。巨噬細胞被激活后，會分泌大量的炎癥因子，如腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、白細胞介素-6（IL-6）等，引發強烈的炎癥反應。而AT-RvD1能夠阻斷巨噬細胞內的炎癥信號通路，如NF-κB信號通路，抑制炎癥因子的轉錄和翻譯，從而減少炎癥因子的釋放。AT-RvD1還能促進巨噬細胞向具有抗炎和促修復作用的M2型極化。M2型巨噬細胞能夠分泌抗炎因子，如白細胞介素-10（IL-10）等，促進炎癥的消退和組織修復。通過調節巨噬細胞的功能，AT-RvD1能夠使早期炎癥反應及時消退，為血管組織再生創造良好的微環境。在促進血管組織再生方面，AT-RvD1可以保護血管內皮細胞。血管內皮細胞是血管內壁的重要組成部分，對于維持血管的正常功能至關重要。在炎癥環境下，血管內皮細胞容易受到損傷，導致血管功能異常。AT-RvD1能夠抑制炎癥因子對血管內皮細胞的損傷，促進內皮細胞的增殖和遷移。它可以激活內皮細胞內的PI3K/AKT信號通路，促進內皮細胞的存活和增殖。PI3K被激活后，催化磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（PIP2）生成磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸（PIP3）。PIP3招募AKT到細胞膜上并使其磷酸化激活。活化的AKT通過調節下游的多種靶蛋白，如哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）、糖原合成酶激酶-3β（GSK-3β）等，促進內皮細胞的增殖。AT-RvD1還能促進內皮細胞分泌一氧化氮（NO），NO具有舒張血管、抑制血小板黏附和聚集等重要功能，有助于維持血管的正常生理功能。AT-RvD1能夠抑制血管內膜增生。血管內膜增生是導致人工血管再狹窄的重要原因之一，主要是由于血管平滑肌細胞的異常增殖和遷移。AT-RvD1可以抑制血管平滑肌細胞的增殖和遷移，減少內膜增厚，從而降低人工血管再狹窄的風險。它可能通過調節血小板源生長因子（PDGF）信號通路等，抑制平滑肌細胞的增殖和遷移。當PDGF與平滑肌細胞表面的PDGFR受體結合后，會激活下游的信號通路，促進平滑肌細胞的增殖和遷移。AT-RvD1可能通過阻斷PDGF信號通路，或者調節相關的信號分子，抑制平滑肌細胞的增殖和遷移。AT-RvD1功能化修飾通過調節炎癥反應和促進血管組織再生，為人工血管的性能提升和臨床應用提供了有力的支持。它為解決人工血管植入后炎癥反應過度和血管組織再生困難等問題提供了新的策略和方法。五、功能修飾在人工血管應用中的挑戰與展望5.1面臨的挑戰5.1.1長期穩定性和安全性問題功能修飾人工血管在體內長期植入后的穩定性和安全性是目前面臨的重要挑戰之一。從穩定性角度來看，盡管功能修飾能夠在短期內改善人工血管的性能，如通過聚多巴胺（PDA）和賴氨酸（Lys）的復合功能修飾提高了人工血管的抗血栓性能和促進內皮化能力，但隨著時間的推移，功能修飾后的材料可能會發生降解、結構變化等問題。PDA-Lys涂層在體內的長期穩定性尚未得到充分驗證，其化學鍵可能會受到體內復雜的生理環境影響，如酶的作用、氧化應激等，導致涂層的脫落或降解，從而影響人工血管的性能。一些功能修飾材料的降解產物可能會對周圍組織產生不良影響，引發炎癥反應或細胞毒性。例如，生物可降解聚酯在降解過程中可能會產生酸性物質，導致局部pH值下降，影響細胞的正常代謝和功能。在安全性方面，功能修飾人工血管可能存在潛在的免疫原性問題。即使功能修飾材料本身具有良好的生物相容性，但它們在體內仍可能被免疫系統識別為外來物質，引發免疫反應。這種免疫反應可能導致炎癥細胞的浸潤、細胞因子的釋放，進而影響人工血管的穩定性和周圍組織的健康。功能修飾過程中使用的一些化學試劑或交聯劑可能會殘留在人工血管中，這些殘留物質可能具有毒性，對人體健康造成潛在威脅。一些交聯劑可能會與蛋白質等生物分子發生反應，改變其結構和功能，從而影響細胞的正常生理活動。功能修飾人工血管在長期使用過程中還可能面臨感染的風險。由于人工血管與血液直接接觸，細菌等微生物容易在其表面黏附和生長，引發感染。一旦發生感染，不僅會影響人工血管的功能，還可能導致嚴重的并發癥，如敗血癥等，威脅患者的生命安全。5.1.2大規模制備與成本控制功能修飾人工血管大規模制備面臨諸多技術難點，成本控制也成為限制其臨床廣泛應用的關鍵因素之一。在技術難點方面，目前許多功能修飾方法，如靜電紡絲技術制備負載阿司匹林觸發的消退素（AT-RvD1）的生物可降解聚酯人工血管，雖然在實驗室條件下能夠制備出性能優良的人工血管，但難以實現大規模生產。靜電紡絲過程中，纖維的均勻性和一致性難以保證，不同批次之間的產品質量存在差異。這是因為靜電紡絲受到多種因素的影響，如溶液的濃度、電壓、流速、環境濕度等，任何一個因素的微小變化都可能導致纖維的直徑、取向和孔隙率等參數發生改變。大規模生產需要高效、穩定的制備工藝，而目前的工藝在這方面還存在不足，難以滿足工業化生產的需求。從成本控制角度來看，功能修飾人工血管的制備通常需要使用昂貴的原材料和復雜的制備工藝，這使得其成本居高不下。一些功能修飾材料，如AT-RvD1、PDA等，價格相對較高，增加了人工血管的制備成本。復雜的制備工藝，如多層生物涂層技術，需要經過多步反應和處理，不僅耗時耗力，還增加了生產成本。大規模生產過程中的質量控制和檢測成本也不容忽視，為了保證產品質量，需要進行嚴格的質量檢測，這進一步提高了人工血管的成本。高昂的成本使得功能修飾人工血管在臨床應用中受到限制，許多患者難以承受，不利于其廣泛推廣。如何優化制備工藝，降低原材料成本，提高生產效率，成為實現功能修飾人工血管大規模制備和成本控制的關鍵。5.2未來發展方向5.2.1新型功能修飾材料的研發未來新型功能修飾材料的研發將聚焦于提升人工血管的綜合性能，從多個維度解決現有材料存在的不足。在提高生物相容性方面，可深入研究具有仿生結構和功能的材料。模仿天然血管內皮細胞表面的糖萼結構，開發含有類似糖鏈結構的功能修飾材料，這種材料能夠模擬天然血管的表面特性，減少血液成分與人工血管表面的非特異性相互作用，從而降低血栓形成和炎癥反應的風險。糖萼結構中的糖鏈可以與血液中的蛋白質、細胞等形成特異性的弱相互作用，避免了血小板的過度黏附和激活，同時還能調節炎癥細胞的功能，促進炎癥的及時消退。研發具有智能響應特性的功