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OPTON微观世界|扫描电镜下的人工血管

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 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:

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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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