愛丁堡大學開發3D打印人工血管，用于改善心血管疾病治療效果
時間：2024-07-30 09:58 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2024年7月29，來自愛丁堡大學與赫瑞瓦特大學的研究人員利用一種名為混合擠壓打印和電紡絲技術開發了新型3D 打印血管，旨在取代目前手術中使用的人體和合成靜脈，用于改變血液流動路線。
△3D 打印血管。圖片來源：愛丁堡大學 Norbert Radacsi 博士。
這項研究以題為“Fabrication of a Compliant VascularGraft Using
Extrusion Printing and Electrospinning
Technique/利用擠壓打印和靜電紡絲技術制造順應性血管移植物”的論文發表在《Advanced Materials
Technologies》期刊上。
相關論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202400224
心血管疾病仍然是全球主要的死亡原因，因此小直徑血管移植物在治療心血管疾病方面需求量很大。最突出的心血管疾病包括冠狀動脈疾病、外周動脈疾病和腹主動脈瘤。通常進行血管重建手術（或搭橋手術），使用血管導管重新引導受影響或阻塞動脈周圍的血流。自體移植物，例如隱靜脈、乳內動脈和橈動脈，仍然是搭橋手術的黃金標準，但失敗率很高，并且移植物采集經常導致供體部位發病率。此外，這些自體移植物在尺寸或機械性能方面很少是最佳的。大多數由合成材料（例如
Dacron 和 ePTFE）制成的市售移植物適用于大直徑動脈（>6
毫米）。然而，當用來替代小直徑動脈時，它們常常會因感染和內膜增生而失敗。
為此，愛丁堡大學開發了一種制造雙層血管移植物的新方法。研究人員采用了一種混合生物打印和靜電紡絲裝置，制造出來表現出接近天然動脈的生物力學特性的分層移植物。
據愛丁堡大學稱，3D 打印血管與人體靜脈的特性非常相似，有望徹底改變心血管疾病的治療方法。這些堅固、柔韌、凝膠狀的管子采用新型 3D 打印技術制造而成，可以取代目前手術中用于改變血流方向的人體和人造靜脈，從而顯著改善心臟搭橋手術患者的治療效果。
人造血管的開發有助于減少在搭橋手術中切除人體靜脈時產生的疤痕、疼痛和感染風險，每年英國大約有 20,000 例此類手術。此外，這些產品有助于緩解小型人造移植物失敗的風險，因為這些移植物很難融入人體。
在人工血管的制造過程中，愛丁堡大學工程學院領導的研究小組利用集成在 3D 打印機中的旋轉主軸，從水基凝膠中制造出管狀移植物。然后使用靜電紡絲技術對打印的移植物進行加固，靜電紡絲技術利用高壓拉出非常細的納米纖維 - 將可生物降解的聚酯分子包裹在人造血管中。機械性能和生物性能測試表明，最終產品與天然血管一樣堅固。
△圖1
纖維增強型 gelMA 移植物制造概述。a) 纖維增強型 gelMA 結構制造步驟示意圖。b) 混合印刷和電紡裝置。c) 全長血管移植物。d)
電紡納米纖維增強型制造的 gelMA 移植物（比例尺：15 毫米）。e) 使用鑷子完全壓縮的移植物（比例尺：2 毫米）的自發熒光圖像，f)
移除鑷子上的力后完全恢復的移植物結構（比例尺：2 毫米）。g) 制造的血管移植物橫截面的數字圖像，顯示內部 gelMA
層和外部電紡纖維層（比例尺：0.4 毫米）。
△圖2
血管移植物的爆破壓力和柔順性測量。a) 定制 Instron 3367 萬能試驗機的照片。b) 爆破壓力測試的測試臺。c)
爆破壓力測試期間的纖維增強 gelMA 移植。d) 爆破壓力測試后移植失敗。e) 移植柔順性測量裝置的示意圖。f) 柔順性測量裝置的照片。g)
柔順性測試期間，在 150 mmHg 壓力下由 75/25 PCL/PLCL 電紡納米纖維增強的 10% gelMA 結構。
△圖3
gelMA水凝膠的流變特性和纖維增強 gelMA 移植物的拉伸測試。a)26°C 下 gelMA 水凝膠的粘度隨剪切速率的變化。b)22、24 和
26°C 下 7.5% gelMA 的粘度隨剪切速率的變化。c) 26°C 下 gelMA 水凝膠的儲能和損耗模量隨角頻率的變化。纖維增強
d) 7.5%、e) 10% 和 f) 12% gelMA 移植物的圓周應力-應變曲線。纖維增強 g) 7.5%、h)10% 和 i) 12%
gelMA 移植物的縱向應力-應變曲線。j) 纖維增強 gelMA 移植物的圓周方向楊氏模量。 k) 纖維增強 gelMA
移植物在縱向的楊氏模量。l) 纖維增強 gelMA 移植物周向強度。m) 纖維增強 gelMA 移植物縱向強度（***，p <
0.0001；**，p < 0.001；*，p < 0.05；NS，不顯著）。
△圖4 纖維增強 gelMA
移植物的爆破壓力和順應性數據。a) PCL/PLCL 纖維增強 gelMA
移植物的爆破壓力，綠色虛線顯示小直徑動脈的平均爆破壓力(***，p < 0.001；**，p < 0.01；*，p <
0.05)。b) 7.5%、c) 10% 和 d) 12% PCL/PLCL 纖維增強 gelMA 移植物的順應性。e) 在80–120
mmHg 壓力范圍內，天然肌性動脈與具有 100/0 PCL/PLCL 纖維增強的 gelMA
移植物的順應性比較，綠色虛線顯示小直徑血管移植物的目標順應性值。 f) 在 80–120 mmHg 壓力范圍內，天然彈性動脈與具有 75/25
PCL/PLCL 纖維增強的 gelMA 移植物的順應性比較。
△圖5 纖維增強 gelMA 接枝物的微觀結構和電紡納米纖維的潤濕性。a) 雙層纖維增強
gelMA 結構的 SEM 圖像（比例尺：250 µm）。100/0 PCL/PLCL 電紡納米纖維的 SEM 圖像，放大倍數為 b)
×500、c) ×2500、d) ×6000。75/25PCL/PLCL 電紡納米纖維的 SEM 圖像，放大倍數為e) ×500、f)
×2500、g) ×6000。50/50 PCL/PLCL 電紡納米纖維的 SEM 圖像，放大倍數為 h) ×500、i)
×2500、j)×6000（比例尺：20 µm）。 k）水接觸角條形圖（***，p < 0.001；*，p <
0.05），其中包含每種情況下的典型水滴圖像。
△圖6 gelMA 和 PCL/PLCL 電紡纖維的細胞相容性分析。a) 評估 72
小時內 gelMA 圓盤上的 HUVEC 活力。*** p ≤ 0.001。b) 在玻璃和 gelMA 上培養的 HUVEC
的代表性免疫熒光圖像，染色為 VE-cadherin（綠色）和 DAPI（藍色），（比例尺：50 µm）。c) 暴露于電紡纖維浸泡培養基的
HUVEC 活力；支架在培養基中孵育 6 天和 12 天。* p ≤ 0.05，** p ≤ 0.01，*** p ≤ 0.001，NS
不顯著。
3D 移植物的厚度范圍為直徑 1 至 40 毫米，可滿足各種應用需求。它們的靈活性意味著它們可以輕松融入人體。研究的下一階段將涉及研究這些血管在動物身上的使用情況，與愛丁堡大學的羅斯林研究所合作，隨后進行人體試驗。愛丁堡大學工程學院的主要作者 Faraz Fazal 博士說：“我們的混合技術為組織工程中管狀結構的制造開辟了新的和令人興奮的可能性。”愛丁堡大學工程學院首席研究員 Norbert Radacsi 博士說：“我們的研究成果解決了血管組織工程領域長期存在的挑戰——生產出一種具有與人類靜脈相似的生物力學特性的導管。有了持續的支持和合作，改善心血管疾病患者治療方案的愿景可能會成為現實。”
(責任編輯：admin)
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