OPTON微觀(guān)世界|掃描電鏡下的人工血管

2020-08-25

心腦血管疾病是人類(lèi)健康的重大威脅之一。心腦血管疾病是50歲以上中老年人健康的常見(jiàn)病，具有高患病率、高致殘率和高死亡率的特點(diǎn)，當今時(shí)代即便也逐漸年輕化，越來(lái)越多的人受相關(guān)疾病的威脅。*每年死于心腦血管疾病的人數高達1500萬(wàn)人，居各種死因*。高血壓、冠心病、中風(fēng)、周?chē)芗膊?、心力衰竭、心臟病、心肌病……在醫療條件日益進(jìn)步的今天，很多人依然籠罩在這些耳熟能詳的疾病的陰影之下。

通過(guò)手術(shù)治療或介入，改善局部缺血部位的供血，是治療心腦血管類(lèi)疾病的主要外科手段。對于心臟搭橋手術(shù)、動(dòng)脈栓塞、動(dòng)脈瘤等疾病，使用自體血管移植是解決這類(lèi)疾病的常用手段；對于一些腎臟疾病，也需要建立內瘺通路，進(jìn)行透析治療。然而目前可使用的自體血管只有3處：大隱動(dòng)脈、橈動(dòng)脈和乳內動(dòng)脈，這些有限的自體血管用完后，患者將失去手術(shù)機會(huì )面臨死亡；同時(shí)取用自體血管會(huì )造成的很大創(chuàng )傷以及各種功能障礙，給患者帶來(lái)極大的痛苦。

而人工血管不受患者自身血管數量的限制，當患者自體血管不能使用，或無(wú)法接受術(shù)后創(chuàng )傷時(shí)，可使用人工血管，從而患者就多了一次生存的機會(huì )，因此人工血管是非常重要的替代品。

人體內環(huán)境復雜，對人造血管性能的要求較高。一般要求有：1）優(yōu)良的力學(xué)性能：有足夠的強度、柔韌性和彈性。人體內部是高壓環(huán)境，需要承受高速流動(dòng)的血液，決不能出現破裂，斷裂。2）良好的相容性：如果血管與人體組織間相容性不好，極其容易引發(fā)病理生理反應，造成增生、栓塞。要避免增生性吻合口狹窄。3）良好的穩定性：材料物理化學(xué)性質(zhì)穩定，不能短時(shí)間在人體內降解，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結構，使得人體細胞容易長(cháng)入。

我國在50年代末、60年代初，才開(kāi)始進(jìn)行人工血管的研究，起初是用尼龍(Nylon)織成，后因尼龍降解，在生體內植入后發(fā)生破裂而被淘汰。當前人工血管制造的主要材料有滌綸（Dacron）、聚氨酯、聚四氟乙烯（PTFE)等。根據其直徑和形貌，應用于不同的手術(shù)治療中。目前6mm以上直徑的血管，已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，應用于各類(lèi)臨床醫學(xué)之中。而6mm直徑以下的血管，面臨更高的血栓形成和內膜增生的挑戰，限制于材料和技術(shù)，僅個(gè)別廠(chǎng)家能達到生產(chǎn)要求。

大多人造血管為多層材料復合而成，模擬人體血管內外層結構，內層抑制血栓形成，中層及外層起支撐穩定等作用。市場(chǎng)上的人工血管加工技術(shù)主要分為織造和非織造，織造血管中又有平織、針織，機織以及人工編織等。不同材料適用不同方法，終得到的血管微觀(guān)形貌和性能也存在一定差異。下圖為掃描電鏡下應用滌綸、聚四氟乙烯（PTFE）和膨體聚四氟乙烯（ePTFE）形貌。

掃描電鏡下不同材料的人工血管 (a) 機織滌綸纖維 (b) PTFE 纖維, and (c) ePTFE 纖維

近年來(lái)，隨著(zhù)醫學(xué)和材料領(lǐng)域的發(fā)展，人工血管的材料選擇和加工方式都有了很多新突破。聚己內酯（PCL）、硅膠、天然桑蠶絲，新型碳材料以及靜電紡絲技術(shù)、3D打印技術(shù)等，也應用于人工血管的制作之中。應用這些手段制作人工血管，其孔隙率以及與人體細胞的相容性，是需要考察檢測的重要性能指標之一。

不同纖維材料與人體細胞相容性不同，上圖為掃描電鏡下膠原纖維（b）和PCL纖維（c）上的細胞增殖和細胞附著(zhù)情況，可以看到膠原纖維更有利于細胞增殖，但PCL纖維對細胞的粘附更勝*。

上圖是應用靜電紡絲技術(shù)，采用不同的紡絲參數得到的三層血管結構的截面圖。從SEM圖像中，可以明顯觀(guān)察到三層不同纖維尺寸和孔隙率的PCL纖維層。相關(guān)標準中對于人工血管的孔隙率大小是有硬性規定的，只有合適的孔隙率才能使血管材料與人體相容，在人體中穩定的發(fā)揮作用。

C骨髓間充質(zhì)干細胞移植情況 D內皮細胞在管腔表面

電鏡也是觀(guān)察培養后血管材料、血管內外通道內，與人體細胞相互作用情況的常用手段。上圖中AB為培養1天后在微通道內粘附的平滑肌細胞電鏡圖。CD為骨髓間充質(zhì)干細胞移植和內皮細胞在管腔表面播種的電鏡觀(guān)察圖。

掃描電鏡是觀(guān)察纖維等人工血管材料的直觀(guān)手段，無(wú)論是纖維通透性、不同層間結合情況，還是與人體細胞的相容性，都需要SEM幫忙檢測表征，以確保用在病人身上的血管*達到標準要求，能為患者減輕痛苦，帶來(lái)健康。相信隨著(zhù)材料學(xué)和醫學(xué)的發(fā)展，我們可以做出任意直徑的優(yōu)質(zhì)人工血管，讓更多人擺脫心腦血管疾病的困擾。

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

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