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产业用针织结构纺织品应用(7): 管状生物医用纺织品

已有 2809 次阅读 2016-11-27 20:07 |系统分类:科研笔记

产业用针织结构纺织品应用

——管状生物医用纺织品

经编织物可采用多种设计。因此,它们的使用非常普遍。已经成为纺织研究的焦点——德国亚琛工业大学纺织技术学院也不例外。该学院以研发用于人体的经编结构而闻名。如今,纺织品在移植中成为不可或缺的元素,并广泛用作血管替代物和疝气修补网。/1/通过选择最佳的材料和生产参数,纺织品能被赋予具有特殊用途的机械和形态特征。单丝和复丝都可以使用。影响相关设计特征的技术因素,比如结构、线圈的密度和机号。现代经编机提供各种各样的潜能。

德国亚琛工业大学纺织技术学院(ITA)利用特殊的双针床拉舍尔经编机来研发新的纺织品移植结构,该经编机配备16把梳栉,其中4把地梳,12把花梳。这款经编机能生产简单的平面结构、带或者不带分支的筒状结构,以及间隔织物。

组织工程学和细胞载体结构

纺织品能在人体内使用很多年,但也往往存在风险,比如身体排斥或者引发炎症。我们有多种方法提高植入受体组织之间的兼容性——比如,通过使用新的生物材料或涂层。20世纪90年代初期,研究的另一个主题就是组织工程学。他以人体自身白细胞为基础,在体外材料上培育人体组织。细胞载体是培养细胞的器皿,也称支架,它在实验中扮演了重要角色。细胞载体必须满足特征应用的形态和机械要求。形态特征包括孔隙率、气孔大小、分布个相互连接。这些因素能确保细胞出于舒适的环境。细胞应依附于细胞载体上,分布均匀,繁殖稳定,从而生产所需要的组织。细胞载体的机械特性包括应力/应变特性,弹性和尺寸稳定性。德国亚琛工业大学组织工程学和纺织移植物教育和研究领域已于几年前研发了合成支架系统。研究人员利用经编结构确保机械稳定性,而组织工程学系统的第二个部分就是血线蛋白凝胶。血线蛋白凝胶是一种自体细胞载体,能从病人血液中提取。血线蛋白凝胶的纳米网状结构使细胞固定在凝胶中,保证了均匀的细胞分布。还能控制凝胶的聚合和降解反应。这为生成相同的组织创造了理想的条件。/2,3/

现在将介绍织物增强纺织品和血纤蛋白组织工程学的使用实例。

用于特殊血管的经编间隔织物

供本器官的日益缺乏正推动着复杂、三维器官的发展。这些替代结构的体外培养需要细胞载体,这些替代结构的体外培养需要细胞载体,这些替代结构的体外培养需要细胞载体,这些载体必须满足在人体中使用的常规要求,还能促进心血管的形成。移植后,血管的形成保证了氧气和营养物质与废物间的供应交换。/4,5/术后,氧气和营养物质的供应仅限于血管附近的100-200um内。/6/周围组织的血管透入组织工程结构,但是每天仅有微米的十分之几。/7/因为形成完整的血管需要几周的时间,如果组织工程结构较厚,这将导致组织内部氧气和营养物质供应不足。/8/这就是为什么目前只有薄的或无血管组织才能在临床实践中取得成功,例如皮肤和软骨。/9/

三维经编织物制成的预血管化细胞载体的概念

一个方法是开发带有毛细血管网的预血管化细胞载体。ITA开展了研究来调查通过使用经编间隔织物作为支架来促进预血管形成的程度。在这种情况下,经编织物作为生产血管形状的细胞载体。由于间隔纱的特殊位置,三维织物产生的细胞增殖是沿着纤维方向——这是在特殊方向上形成毛细管结构的重要条件。细胞载体还展示了气孔的高孔隙率、连结性和特殊表面。表面越大,媳妇的细胞就越多。

用作支架的经编间隔织物的结构

在研究中,用一定粗细和拉伸度的PVDF单丝和复丝制成的经编间隔织物拥有不同的线圈密度(图1a+1b)。随后,研究人员分析了三维织物的形态和机械性能。研究发现,用于预血管形成的经编间隔织物潜能特别有趣。初步调查包括在不同的构造中评估细胞的附着、分布和成长。显示的结果具有明显的差别:单丝制成的间隔织物的气孔大小和孔隙率明显比复丝制成的大。它们完全、密集的移植上了人体肉皮细胞(图1c)。目前得出的结论相当可观。它们为进一步研究沿着间隔纱形成血管结构奠定了基础。

用大小口径人造血管的经编支撑结构

在西方国家,心血管疾病是导致死亡的主要原因之一。平均每39秒会有一个人死于此疾病。/10/此疾病繁多的主要原因是动脉硬化——血管壁的病理变化导致血管变窄甚至完全闭塞。治疗血管变窄有不同的选择。现在用于临床实践的一种治疗方法是更换坏死血管或部分血管。当血管直径小于6mm时,从病人身上提取自体静脉仍被视为搭桥手术中的金牌方法。但是由于并发症或者它们已经被移除,自体静脉的可用性是有限的。时至今日,人们还没有找到适合小口径血管的人工合成替代品。组织工程学和纺织移植研究研究领域已花多年时间致力于人造血管移植。

人造血管移植的概念

人造血管移植将管状的经编支撑结构通过特殊的注塑技术嵌入血纤蛋白/细胞合成品中/11,12/这个构造包含经编织物、血纤蛋白和细胞(图2),然后在特殊生理条件下在生物反应器中培养,直到形成足够的组织层。

然后,研究人员把含有内皮细胞的组织涂层抹到血管内壁,来确保良好的血液兼容性。内皮细胞覆盖在人体内所有的血管上。经编细管保证了材料拥有必备的机械稳定性,比非纤维织物系统需要更短的生长期。这保证了快速移植。在移植后,经编织物仍继续吸收负载,消除血管壁上的肿胀。/13/移植后还发上一些变化,进一步强化组织。

用于人工移植的经编织物的生产

PLLAPVDF生产的可降解和不可降解复丝可作为经编结构的原料使用。纺织品材料对于人体而言是外来植入物,因此要求使用较少但充分的材料来确保所需的机械稳定性。重要的机械特性包括沿着纵向轴线和横向截面的应力/应变性能。它们最初由经编织物结构又由管子的口径、线圈密度和纱线方向决定。适当的孔径很重要,这样才能使血纤蛋白/细胞完全渗透到经编织物中。

最终产品的性能,即人造血管移植效果,受个体特征相互作用的影响。当开始设计经编结构时,就得考虑其影响。当开始设计经编结构时,就得考虑其影响因素和它们之间的相互作用。研究成果相当有前景,通过选择正确的结构和线圈密度,组织工程血管中外来物所占比例可减少20%多,同时还能满足机械要求。

总结与展望

经编织物具有各向异性。它们的形态和机械特征具有多样性,也能由多种材料生产。它们使血纤组织工程具有机稳定性并且操作简便。它们作为增强结构与血纤蛋白凝胶结合作为合成支架,确保独立部件的各种优势结合到细胞载体中。德国亚琛工业大学组织工程学和纺织移植教育研究领域的研究人员已将该方法用于多种应用并取得成功,比如心脏瓣膜、支架和人造血管,以及血管形成的细胞载体结构。

经编织物的形态和机械特征需要经常的到调整,尽可能接近真的组织。在这里,纺织技术专家起到了关键的作用。结构/材料性质关系的知识及深入理解将构成新的和进一步发展工作的焦点。ITA研究人员将继续使用经编织物来生产新的人体替代品。

图1:促进血管形成的经编织物

A:理念,b:由PVDF单丝制作而成的经编间隔织物的显微图像,c:经编结构内的细胞DAPL染色(蓝色)

图2:组织工程的织物增强型人造血管;a:特里科结构模型,b:经编管状结构,c:经编织物的显微图像,d:组织工程的人造血管

经编实践1/2014 P26-28




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