聚合物静电纺纤维促进组织血管修复的研究进展

李慧妍，张红，陈茂华，张云，李孝红



聚合物静电纺纤维促进组织血管修复的研究进展

李慧妍，张红，陈茂华，张云，李孝红

610031 成都，西南交通大学生命科学与工程学院（李慧妍、李孝红），材料学院（张红、陈茂华、张云、李孝红）

近十年，由于不健康饮食习惯及人口的老龄化，缺血性血管疾病的发病率有逐年增高的趋势。动脉缺血引发的脑部、心脏和外周血管疾病成为威胁人类健康的头号杀手，引起了医生和科研人员的广泛关注和重视。目前临床治疗缺血性疾病的方法主要包括血管搭桥手术、腔内介入和药物治疗。这些方法虽然可以在一定程度上缓解缺血病症，却仍存在许多不足之处，如术后再闭塞以致需要二次手术、介入材料的生物相容性及机械性能不足以及药物治疗效果不够稳定持久等问题。因此，需要探究更加有效的方法来促进缺血组织血管化，最大程度恢复组织血液供应。

组织工程血管是目前极具前景的治疗手段，其中选择合适的胞外基质支架是血管组织工程的关键。理想的血管组织工程支架应具有比表面积大，孔道连通性好，生物相容性高（低毒、无致癌性、无过敏反应、不会造成血栓和组织增生及感染），支架降解速率可控，力学性能适宜，能为细胞提供理想的生长环境等特点[1]。静电纺纤维是一种低耗能、高效率的纳米纤维制备技术，获得的纤维支架材料选择范围广、比表面积高、结构疏松多孔、能够很好地模拟胞外基质。同时，电纺纤维还能携载无机粒子或一些调控细胞行为的药物、蛋白、基因等活性成分，其作为血管组织工程支架具有独特的优势[2-3]。

1 聚合物静电纺纤维作为血管组织支架

聚合物静电纺血管组织支架根据制备手段的不同可大致分为三种：单一聚合物纤维、复合纤维、多层电纺纤维。单一聚合物纤维是指采用单一聚合物电纺得到的电纺纤维，具有制备方便、廉价、适用材料广泛的特点。天然高分子材料具有优良的生物学性能，如静电纺胶原蛋白支架，其生物相容性优良且具有适宜的可降解性和弱抗原性[4]。但由于多数天然高分子支架机械性能不足，在一定程度上限制了其在血管修复中的应用。而人工合成高分子材料通常具备优异的物理学性能。Inoguchi 等[5]将丙交酯和己内酯的共聚物（PLCL）电纺，通过调节两种材料的共聚比例可得到与血管弹性类似的人工血管支架。共混纺复合纤维是指采用两种或两种以上聚合物材料混合均匀后静电纺得到的纤维。共混纺复合纤维可以将天然聚合物优良的生物相容性与合成聚合物的机械性能结合，解决单一聚合物纤维的血管支架难以同时满足生物学和物理学性能等问题。Niu 等[6]采用两种聚合物电纺，发现聚己内酯（PCL）和胶原共混电纺纤维交联后可以得到机械性能和生物相容性优良的血管组织支架，该支架能够促进内皮细胞和平滑肌细胞的黏附和增殖。Yin等[7]制备了胶原/壳聚糖/PLCL 三种材料共混电纺纤维，研究发现，当三种聚合物混合比例为 20:5:75 时能够得到最接近天然血管的弹性强度，且内皮细胞能够更多地黏附和铺展在该血管支架上。

同轴电纺技术是将两种互不相溶的聚合物溶液分别装入一个同轴装置的内外层中，壳层与芯层溶液以一定的流速在针头处汇合，在高压电场下制备得到具有“壳-芯”结构的纳米纤维。通过改变同轴电纺纤维的芯层聚合物可调节支架的机械性能、控制药物的释放行为，改变壳层可调节细胞与支架间及支架纤维与纤维之间的表面相互作用。Gluck 等[8]制备了由天然聚合物与合成聚合物组成的“芯-壳”结构同轴电纺纤维，体外实验证明，该纤维支架在动态的培养环境下耐受，并可促进细胞向纤维内部生长。另外，同轴电纺技术可将本不适合纺丝的材料作为芯层制备成纤维。如聚丙三醇癸二酸酯（PGS）具备优良的生物学和力学性能，但由于其分子量较低导致聚合物溶液黏度较低无法直接电纺，Ravichandran 等[9]采用同轴共纺法制备了外层为聚（L-乳酸）（PLLA）、内层为 PGS 溶液的“壳-芯”结构纤维，在 120 ℃下聚合得到可注射 PGS 短纤维心肌细胞支架，研究表明该支架能够显著促进心肌细胞黏附，具有作为心肌组织血管修复支架的潜能。尽管同轴电纺技术对于制备血管组织工程支架具有以上多方面优势，但这一技术的产出率和重复性低，仍需要进一步研究改善[10]。

此外，多通道共纺和多层电纺也用来改善血管支架性能。多通道共纺是将不同聚合物放入不同喷丝管，可同时在接收器上收集到由多种纤维混合的复合电纺纤维，适合于构建较复杂的组织纤维支架。Baker 等[11]采用双通道共纺制备了聚氧乙烯（PEO）/PCL 电纺纤维支架。PEO 在水溶液中溶解后得到 PCL 的大孔隙率支架，有利于细胞向支架内部生长。多层电纺又称分层构建技术，是依次将不同纤维分层沉积在接收器上。这一方法可以调节支架材料的多方面性能，如生物相容性、力学性质等，尤其在管状血管组织支架构建中受到越来越多的关注。Madhavan 等[12]将 PCL 作为内层，胶原-壳聚糖作为外层制备了多层电纺管状血管支架，并通过改变 PCL 的厚度和胶原-壳聚糖的交联程度来调控支架的机械性能和生物学性能。Wang 等[13]制备了载肝素电纺聚氨酯/明胶混合管状血管支架，其中内层为聚氨酯，外层为载肝素的明胶，结果显示该血管支架不仅力学性能类似天然血管，并可持续释放肝素，防止血栓的形成。

2 载活性成分的聚合物静电纺纤维作为血管组织支架

静电纺纤维血管组织工程支架一方面可以通过其三维多孔的特点，维护组织细胞外环境的稳定，为组织血管再生提供必要的条件；另一方面也可以在支架中添加活性成分，直接或间接促进血管新生及成熟化。

将活性蛋白如包括血管内皮生长因子（VEGF）、碱性成纤维生长因子（bFGF）、肝细胞生长因子（HGF）和血小板衍生生长因子（PDGF）等血管因子载入电纺支架可对蛋白进行保护和控释，增强缺血组织的血管化，提高移植血管的成活[14]。Del Gaudio 等[15]将VEGF载入交联的明胶电纺纤维，该纤维支架能够在 28 d 内稳定、缓慢地释放 VEGF，有效提高间充质干细胞活性，促进其在纤维上的增殖和黏附。1-磷酸鞘氨醇（S1P）可保护内皮细胞，对缺血组织损伤具有保护作用[16-17]。Zhang 和 Song[18]将聚乙二醇-聚乳酸共聚物（PELA）制备为载 S1P 的电纺纳米纤维，结果表明，PELA 电纺纤维可稳定地包载和控释调控血管生成的核转录因子S1P，有效保护蛋白活性，促进组织血管修复和再生。活性蛋白与新型电纺技术结合，可以有效模拟天然血管的复杂功能。Han 等[19]将多喷头与多层电纺技术结合，采用明胶分别与载PDGF的聚乙二醇-聚乳酸-聚己内酯共聚物（PELCL）、载 VEGF 的 PLGA、PCL 共纺，制备载双血管因子的内、中、外三层聚合物电纺小口径血管支架。研究结果显示，该血管支架具抗血栓，防止内膜增生，促进支架周围血管生成的作用，并且血管支架机械性能与天然血管相似，是具有前景的小口径血管替代物。

血管生长因子或其他能够募集血管细胞的活性蛋白价格昂贵、容易失活[20]。而载基因的电纺血管组织支架可以通过持续释放基因转染周围细胞，使自身组织细胞表达所需活性蛋白，发挥组织血管修复作用，引起越来越多的关注[21]。Luu 等[22]研究发现电纺纤维可以有效保护质粒 DNA 的结构和活性，长时间使其具有较高水平的细胞转染率，由此证明电纺纤维可维持 DNA 的结构和活性。为提高基因转染效率，Chen 等[23]制备携载质粒-磷酸钙复合粒子的 PELA 电纺纤维。体外实验表明该控释体系可以有效保护质粒的结构和生物学性能，并通过加入聚乙二醇（PEG）将质粒持续转染的时间控制在1 周到1 个月的范围，并且随着纤维的降解，质粒持续 4 周缓慢稳定释放，转染靶部位细胞，模拟两种血管生长因子体内协同作用，有效促进局部成熟血管密度的增加。

除了活性蛋白和基因，将一些具补气血功效的中药，如黄芪、当归、丹参、莪术等载入电纺支架能够通过抗氧化作用保护内皮细胞，促进内皮细胞增殖，且体内实验证明可促进组织细胞分泌 VEGF 等血管生长因子[24-25]。Wang 等[26]将黄芪和当归的有效成分黄芪甲苷（AT）和阿魏酸（FA）同时载入纳米聚合物静电纺纤维中，考察控释双中药体系对组织血管修复的促进作用。结果表明，AT 和 FA 能够协同促进血管相关细胞的生长、迁移以及新生血管成熟化。

3 展望

静电纺丝技术制备出的纳米纤维支架，特征类似于细胞外基质，有利于细胞的黏附、增殖和组织的长入，材料选择范围广泛，物理学性能可调，并可同时包载控释多种活性成分，是非常具有潜力的血管组织工程支架。同时，各种具有特殊功能和可精确控制纤维参数的电纺技术不断出现，更为血管组织支架的临床应用带来了新的希望。为了构建具有更加良好的生物学和力学性能的血管组织工程支架，我们在提高电纺技术参数可控性和多样性的同时，可继续努力探索将电纺血管支架向三维化和纤维排列可控化方向发展，从组织水平、细胞水平、甚至是分子水平上控制血管支架上各功能细胞的细胞行为和功能化组织的形成。

[1] Niu G, Sapoznik E, Soker S. Bioengineered blood vessels. Expert Opin Biol Ther, 2014, 14(4):403-410.

[2] Ndreu A, Nikkola L, Ylikauppila H, et al. Electrospun biodegradable nanofibrous mats for tissue engineering. Nanomedicine (Lond), 2008, 3(1):45-60.

[3] Hasan A, Memic A, Annabi N, et al. Electrospun scaffolds for tissue engineering of vascular grafts. Acta Biomater, 2014, 10(1):11-25.

[4] Gui L, Niklason LE. Vascular tissue engineering: building perfusable vasculature for implantation. Curr Opin Chem Eng, 2014, 3:68-74.

[5] Inoguchi H, Kwon IK, Inoue E, et al. Mechanical responses of a compliant electrospun poly(L-lactide-co-epsilon-caprolactone) small- diameter vascular graft. Biomaterials, 2006, 27(8):1470-1478.

[6] Niu G, Criswell T, Sapoznik E, et al. The influence of cross-linking methods on the mechanical and biocompatible properties of vascular scaffold. J Sci Appl Biomed, 2013, 1(1):1-7.

[7] Yin A, Zhang K, McClure MJ, et al. Electrospinning collagen/ chitosan/poly(L-lactic acid-co-ε-caprolactone) to form a vascular graft: mechanical and biological characterization. J Biomed Mater Res A, 2013, 101(5):1292-1301.

[8] Gluck JM, Rahgozar P, Ingle NP, et al. Hybrid coaxial electrospun nanofibrous scaffolds with limited immunological response created for tissue engineering. J Biomed Mater Res B Appl Biomater, 2011, 99(1):180-190.

[9] Ravichandran R, Venugopal JR, Sundarrajan S, et al. Minimally invasive injectable short nanofibers of poly(glycerol sebacate) for cardiac tissue engineering. Nanotechnology, 2012, 23(38):385102.

[10] Ingavle GC, Leach JK. Advancements in electrospinning of polymeric nanofibrous scaffolds for tissue engineering. Tissue Eng Part B Rev, 2014, 20(4):277-293.

[11] Baker BM, Gee AO, Metter RB, et al. The potential to improve cell infiltration in composite fiber-aligned electrospun scaffolds by the

selective removal of sacrificial fibers. Biomaterials, 2008, 29(15): 2348-2358.

[12] Madhavan K, Elliott WH, Bonani W, et al. Mechanical and biocompatible characterizations of a readily available multilayer vascular graft. J Biomed Mater Res B Appl Biomater, 2013, 101(4): 506-519.

[13] Wang HY, Feng YK, Zhao HY, et al. Biomimetic hemocompatible nanofibrous scaffolds as potential small-diameter blood vessels by bilayering electrospun technique. Adv Mater Res, 2011, 306:1627- 1630.

[14] Nomi M, Miyake H, Sugita Y, et al. Role of growth factors and endothelial cells in therapeutic angiogenesis and tissue engineering. Curr Stem Cell Res Ther, 2006, 1(3):333-343.

[15] Del Gaudio C, Baiguera S, Boieri M, et al. Induction of angiogenesis using VEGF releasing genipin-crosslinked electrospun gelatin mats. Biomaterials, 2013, 34(31):7754-7765.

[16] Argraves KM, Gazzolo PJ, Groh EM, et al. High density lipoprotein-associated sphingosine 1-phosphate promotes endothelial barrier function. J Biol Chem, 2008, 283(36):25074-25081.

[17] Theilmeier G, Schmidt C, Herrmann J, et al. High-density lipoproteins and their constituent, sphingosine-1-phosphate, directly protect the heart against ischemia/reperfusion injury in vivo via the S1P3 lysophospholipid receptor. Circulation, 2006, 114(13):1403-1409.

[18] Zhang J, Song J. Amphiphilic degradable polymers for immobilization and sustained delivery of sphingosine 1-phosphate. Acta Biomater,2014, 10(7):3079-3090.

[19] Han F, Jia X, Dai D, et al. Performance of a multilayered small-diameter vascular scaffold dual-loaded with VEGF and PDGF. Biomaterials, 2013, 34(30):7302-7313.

[20] Fu K, Klibanov AM, Langer R. Protein stability in controlled-release systems. Nat Biotechnol, 2000, 18(1):24-25.

[21] Chung E, Ricles LM, Stowers RS, et al. Multifunctional nanoscale strategies for enhancing and monitoring blood vessel regeneration. Nano Today, 2012, 7(6):514-531.

[22] Luu YK, Kim K, Hsiao BS, et al. Development of a nanostructured DNA delivery scaffold via electrospinning of PLGA and PLA-PEG block copolymers. J Control Release, 2003, 89(2):341-353.

[23] Chen F, Wan H, Xia T, et al. Promoted regeneration of mature blood vessels by electrospun fibers with loaded multiple pDNA-calcium phosphate nanoparticles. Eur J Pharm Biopharm, 2013, 85(3):699- 710.

[24] Luo Y, Qin Z, Hong Z, et al. Astragaloside IV protects against ischemic brain injury in a murine model of transient focal ischemia. Neurosci Lett, 2004, 363(3):218-223.

[25] Lin CM, Chiu JH, Wu IH, et al. Ferulic acid augments angiogenesis via VEGF, PDGF and HIF-1 alpha. J Nutr Biochem, 2010, 21(7): 627-633.

[26] Wang H, Zhang Y, Xia T, et al. Synergistic promotion of blood vessel regeneration by astragaloside IV and ferulic acid from electrospun fibrous mats. Mol Pharm, 2013, 10(6):2394-2403.

国家自然科学基金（51073130）

李孝红，Email：xhli@swjtu.edu.cn

2014-03-26

10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2014.06.008