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北航樊瑜波教授团队在通过优化微结构设计改善小口径人造血管力学性能、促进体内血管再生和长期通畅方面取得进展

发布时间:2023-01-04 15:16   点击次数:


近期,北航樊瑜波教授课题组报道了不同编织孔隙率蚕丝纤维骨架对小口径人造血管力学性能和体内血管再生和长期通畅的影响规律,基于以上规律,研发的小口径人造血管可保持2年通畅并具有血管收缩功能。相关研究以“The Regulatory Effect of Braided Silk Fiber Skeletons with Differential Porosities on In Vivo Vascular Tissue Regeneration and Long-Term Patency”为题发表在Research上(Research, 2022, 9825237, DOI: 10.34133/2022/9825237)。

 

 

北航樊瑜波教授团队首先通过数值仿真的方法,建立包含不同编织孔隙率的人造血管模型,模拟人体正常血压下人造血管的受力变形情况,从而得到了编织孔隙率对血管生物力学特性的影响规律。结果表明,人造血管的顺应性与编织的孔隙率正相关,即编织孔隙率越大,血管整体的顺应性也越大(图1)。利用编织丝素蛋白纤维骨架结合硫酸化丝素蛋白海绵层制备了小口径人造血管。通过搭建小口径人造血管力学性能评测平台评估了编织孔隙率对血管顺应性、拉伸强度、缝合强度和抗弯曲性能等力学性能的调控规律(图2)。调控编织结构的微结构可以任意调控血管的力学性能,可满足其在临床上不同位置的力学性能需求。

1  编织孔隙率对血管顺应性影响的仿真分析


 2  不同编织基小口径人造血管的力学性能表征


通过大鼠腹主动脉模型评估了不同编织孔隙率对体内血管再生和长期通畅率的影响规律。体内结果表明编织孔隙率可调节血管移植后的渗血性能、细胞浸润和新生内膜形成。中孔隙率血管更利于血管浸润巨噬细胞并向M2型巨噬细胞极化(图3)。

图3  低和中孔隙率血管的细胞化和炎症反应


由于高孔隙率血管容易导致渗血,低孔隙率血管容易导致血管内膜增生和堵塞,所以中孔隙率血管用于不同时间点尤其是长时间点的跟踪观察。体内结果发现,中孔隙率血管具有类似天然血管的仿生结构,在植入体内后立即具有明显的搏动,生成的血管平滑肌细胞沿周向排列,类似于天然血管平滑肌细胞的排布(图4)。

4  新生平滑肌细胞和细胞外基质沿着周向分布


本工作主要研究了不同编织孔隙率蚕丝纤维骨架对血管力学性能和体内血管再生和长期通畅率的影响规律(图5),基于以上规律,研发的小口径人造血管可保持2年通畅并具有血管收缩功能(图6),有望打破小口径人造血管长期通畅率低这一世界难题。

5  不同编织孔隙率蚕丝纤维骨架对小口径人造血管力学性能和体内血管再生和长期通畅的影响规律


6 血管移植2年后仍具有收缩功能


通过优化编织孔隙率调控血管力学性能,进而影响血管植入后血管细胞的动态响应,对于构建具有生物力学和力学生物学适配性良好的小口径人造血管创新具有重要的指导意义。

Citation

Xili Ding, Weirong Zhang, Peng Xu, et al, “The Regulatory Effect of Braided Silk Fiber Skeletons with Differential Porosities on In Vivo Vascular Tissue Regeneration and Long-Term Patency”, Research Vol. 2022, Article ID 9825237, 18 pages, Research, 

https://doi.org/10.34133/2022/9825237

 

作者简介:

 

丁希丽:北京航空航天大学医学科学与工程学院助理教授,硕士生导师,博士期间在加州大学洛杉矶分校生物工程系联合培养。主要从事小口径人造血管的研发和血管内膜增生的机理研究,在Research,Biomaterials,JCI insight,Theranostics等国际高水平期刊发表论文20余篇,申/获发明专利4项,参与撰写英文专著3篇。主持国家自然科学基金青年基金和北京航空航天大学青年拔尖人才支持计划项目。

 

刘海峰:北京航空航天大学生物与医学工程学院教授,博士生导师,教育部新世纪优秀人才,中国解剖学会血管分会委员、中国研究型医院学会运动医学专业委员会委员、中国生物材料学会康复器械与生物材料分会委员。主要从事生物医用材料的研究开发和临床应用、干细胞的培养与分化、药物控释和基因载体的研究。先后主持中央在京高校重大成果转化项目、国家科技支撑计划课题和多项国家自然科学基金项目。在本领域主流期刊发表SCI论文80余篇,获得授权国家发明专利3项。

 

樊瑜波:北京航空航天大学医学科学与工程学院教授,北京航空航天大学生物与医学工程学院院长、医学科学与工程学院院长、医工交叉创新研究院院长,生物力学与力学生物学教育部重点实验室主任、北京生物医学工程高精尖中心主任。长江学者、杰青、国家自然科学基金创新群体和科技部重点领域创新团队带头人。美国医学生物工程院(AIMBE)、国际医学与生物工程科学院(IAMBE)、世界生物材料学会 (FBSE) 、国际医学物理与工程科学联盟(IUPESM) 会士。中国生物医学工程学会第七、第八届理事长,国务院生物医学工程学科评议组成员。近年来,致力于生物力学、力生物学及其与生物材料交叉融合的基础和应用研究,从交叉学科角度研究疾病与健康相关问题、开展新型医疗器械基础及关键技术、医疗器械科技发展战略研究。发表SCI论文500余篇,H指数69,Elsevier生物医学工程高被引学者,授权发明专利200余项。