OPTON微观世界|扫描电镜下的人工血管

2020-08-06 05:14:30, 苏瑞雪北京欧波同光学技术有限公司

更多资讯，点击关注上方“欧波同”查看

心脑血管疾病是人类健康的重大威胁之一。心脑血管疾病是50岁以上中老年人健康的常见病，具有高患病率、高致残率和高死亡率的特点，当今时代即便也逐渐年轻化，越来越多的人受相关疾病的威胁。全世界每年死于心脑血管疾病的人数高达1500万人，居各种死因首位。高血压、冠心病、中风、周围血管疾病、心力衰竭、心脏病、心肌病……在医疗条件日益进步的今天，很多人依然笼罩在这些耳熟能详的疾病的阴影之下。

通过手术治疗或介入，改善局部缺血部位的供血，是治疗心脑血管类疾病的主要外科手段。对于心脏搭桥手术、动脉栓塞、动脉瘤等疾病，使用自体血管移植是解决这类疾病的常用手段；对于一些肾脏疾病，也需要建立内瘘通路，进行透析治疗。然而目前可使用的自体血管只有3处：大隐动脉、桡动脉和乳内动脉，这些有限的自体血管用完后，患者将失去手术机会面临死亡；同时取用自体血管会造成的很大创伤以及各种功能障碍，给患者带来极大的痛苦。

而人工血管不受患者自身血管数量的限制，当患者自体血管不能使用，或无法接受术后创伤时，可使用人工血管，从而患者就多了一次生存的机会，因此人工血管是非常重要的替代品。

人体内环境复杂，对人造血管性能的要求较高。一般要求有：1）优良的力学性能：有足够的强度、柔韧性和弹性。人体内部是高压环境，需要承受高速流动的血液，决不能出现破裂，断裂。2）良好的相容性：如果血管与人体组织间相容性不好，极其容易引发病理生理反应，造成增生、栓塞。要避免增生性吻合口狭窄。3）良好的稳定性：材料物理化学性质稳定，不能短时间在人体内降解，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结构，使得人体细胞容易长入。

我国在50年代末、60年代初，才开始进行人工血管的研究，起初是用尼龙(Nylon)织成，后因尼龙降解，在生体内植入后发生破裂而被淘汰。当前人工血管制造的主要材料有涤纶（Dacron）、聚氨酯、聚四氟乙烯（PTFE)等。根据其直径和形貌，应用于不同的手术治疗中。目前6mm以上直径的血管，已经产业化，应用于各类临床医学之中。而6mm直径以下的血管，面临更高的血栓形成和内膜增生的挑战，限制于材料和技术，仅个别厂家能达到生产要求。

大多人造血管为多层材料复合而成，模拟人体血管内外层结构，内层抑制血栓形成，中层及外层起支撑稳定等作用。市场上的人工血管加工技术主要分为织造和非织造，织造血管中又有平织、针织，机织以及人工编织等。不同材料适用不同方法，最终得到的血管微观形貌和性能也存在一定差异。下图为扫描电镜下应用涤纶、聚四氟乙烯（PTFE）和膨体聚四氟乙烯（ePTFE）形貌。

扫描电镜下不同材料的人工血管 (a) 机织涤纶纤维 (b) PTFE 纤维, and (c) ePTFE 纤维

近年来，随着医学和材料领域的发展，人工血管的材料选择和加工方式都有了很多新突破。聚己内酯（PCL）、硅胶、天然桑蚕丝，新型碳材料以及静电纺丝技术、3D打印技术等，也应用于人工血管的制作之中。应用这些手段制作人工血管，其孔隙率以及与人体细胞的相容性，是需要考察检测的重要性能指标之一。

不同纤维材料与人体细胞相容性不同，上图为扫描电镜下胶原纤维（b）和PCL纤维（c）上的细胞增殖和细胞附着情况，可以看到胶原纤维更有利于细胞增殖，但PCL纤维对细胞的粘附更胜一筹。

上图是应用静电纺丝技术，采用不同的纺丝参数得到的三层血管结构的截面图。从SEM图像中，可以明显观察到三层不同纤维尺寸和孔隙率的PCL纤维层。相关标准中对于人工血管的孔隙率大小是有硬性规定的，只有合适的孔隙率才能使血管材料与人体相容，在人体中稳定的发挥作用。

C骨髓间充质干细胞移植情况 D内皮细胞在管腔表面

电镜也是观察培养后血管材料、血管内外通道内，与人体细胞相互作用情况的最常用手段。上图中AB为培养1天后在微通道内粘附的平滑肌细胞电镜图。CD为骨髓间充质干细胞移植和内皮细胞在管腔表面播种的电镜观察图。

扫描电镜是观察纤维等人工血管材料的最直观手段，无论是纤维通透性、不同层间结合情况，还是与人体细胞的相容性，都需要SEM帮忙检测表征，以确保用在病人身上的血管完全达到标准要求，能为患者减轻痛苦，带来健康。相信随着材料学和医学的发展，我们可以做出任意直径的优质人工血管，让更多人摆脱心脑血管疾病的困扰。

参考文献：

[1] Zhang, Y.Z., Venugopal, J., Huang, Z.M., Lim, C.T., and Ramakrishna, S.,Characterization of the Surface Biocompatibility of the Electrospun PCL-Collagen Nanofibers Using Fibroblasts. Biomacromolecules, 2005. 6(5): p. 2583-2589.

[2] Lee H Y . Electrospun Polycaprolactone Scaffolds for Small-Diameter Tissue Engineered Blood Vessels[J]. Dissertations & Theses Gradworks, 2013.

[3] Enomoto S , Sumi M , Kajimoto K , et al. Long-term patency of small-diameter vascular graft made from fibroin, a silk-based biodegradable material[J]. Journal of Vascular Surgery, 2010, 51(1):155-164.

[4] Zhang M , Wang K , Wang Z , et al. Small-diameter tissue engineered vascular graft made of electrospun PCL/lecithin blend[J]. Journal of Materials Science, 2012, 23(11):2639-2648.

[5]Zang S , Zhang R , Chen H , et al. Investigation on artificial blood vessels prepared from bacterial cellulose[J]. Materials Science & Engineering, 2015, 46(jan.):111-117.

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

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

关于欧波同

欧波同（中国）有限公司（OPTON），是一家具有外资背景的多元化的科技集团公司，是全球实验室解决方案服务商！欧波同成立于2003年（总部位于香港），旗下拥有国际贸易、行业解决方案研发、第三方技术服务、融资租赁等业务板块。公司经过十多年的卓越发展已经与德国蔡司（ZEISS）公司、美国Gatan公司、英国Bright公司等多家国际顶尖品牌建立战略合作伙伴关系。欲了解更多信息，请浏览公司网站：www.opton.com.cn。

让实验更简单Make it simple

光学显微镜|电子显微镜|制样设备|第三方检测