組織工程血管（TEVGs）近年來逐漸應用于臨床，具有生物相容性強和機械性能可調等特性。將細胞組裝的細胞外基質（CAM）與編織相結合，編織是一種多功能組裝方法，可對移植物進行精準控制。近日，來自法國波爾多大學的Nicolas L’Heureux教授團隊進行了編織參數對生物組織工程血管移植物性能影響的相關研究。研究成果以“Effects of weaving parameters on the properties of completely biological tissue-engineered vascular grafts”為題于11月24日發表在《Biofabrication》上。
本文研究了如何通過改變生產參數進而改變TEVG的幾何和機械性能，使其更好與原生血管相匹配，從而提供長期的通暢性。研究人員的目標是降低第一代編織TEVG的機械強度和管腔表面輪廓，同時保持較低跨膜滲透性和良好縫合固定強度。通過改變CAM的強度以及經紗支數、緯紗帶寬度和緯紗張力等編織參數，生產出不同的TEVG。優化設計使爆破壓力降低35%，壁厚減少38%，順應性提高269%。改進后的TEVG更接近于原生血管的特性，爆破壓為3492 mmHg，壁厚為0.69 mm，順應性為4.8%/100 mmHg，同時保持極佳的縫合強度（4.7 N）和較低的跨壁滲透性(24 ml min-1 cm-2）。此外，新設計還將管腔表面輪廓縮小48%，使用的CAM減少47%。在類似設計中，使用脫細胞CAM線可使TEVG的管壁通透性更高，爆破壓力更大。下一步是將這種優化后的血管移植物植入異體綿羊動靜脈分流模型中，進一步評估其體內重塑情況和性能。
本文從以下幾個方面進行詳細描述
1. TEVG制作
2. CAM板強度的影響
3. 經紗數量的影響
4. 緯紗帶寬度的影響
5. 緯紗張力的影響
6. 管腔表面波紋對管壁剪切應力模擬的影響
7. 血液流動CFD模擬
8. 編織參數對TEVG特性的影響
9. 脫細胞過程的影響
圖1 TEVG的制造
圖1簡介TEVG生產所涉及的步驟。CAM片用于生產經線和緯線。經線由5毫米寬的CAM帶制成。緯線由兩條CAM帶擰在一起制成。使用兩條絲帶生產緯線，是為了讓緯線在血液透析過程中能更好抵御每周的反復穿刺過程。捻線的目的是產生有彈性的線。緯線在一組可移動的經線和一組固定的張力經線之間反復滑動，以生產出壁質均勻的人工血管移植物。修改后的編織參數作為TEVG編織過程中使用的經紗支數（縱向絲帶的總數）、緯紗絲帶寬度（用于生產緯紗的2條絲帶的寬度）和緯紗張力。
圖2 緯帶寬度對編織TEVG線徑和結構特性的影響
圖3 不同緯帶寬度編織的TEVG機械性能變化
本文研究目的除降低血管的強度，使其更接近原生血管外，還有降低管壁厚度，使TEVG更靈活、更可用。假設這兩個目標都可以通過減少緯紗中的材料量來實現，因為管材的周向應力是縱向應力的兩倍，而緯紗支撐大部分應力。因此，本文使用寬度較窄的緯帶編織TEVG。結果顯示使用兩條3毫米寬的緯帶捻在一起會使緯線的直徑明顯變小，進而使TEVG的緯線密度明顯增加。此外，這還導致TEVG的壁更薄，使用μCT三維重建可以證明。但是使用較細緯線的一個缺點是，當使用較細緯線時，編織的TEVG內徑略有增加。出現這種現象的原因可能是，在使用更細緯線織造時，緯線的張力較小，織出的織物內部張力較小，從織機芯軸上取下后收縮也不明顯。盡管使用的緯線所含材料減少40%，但TEVGs的植入相關特性并沒有發生顯著變化。之前顯示的緯線密度增加40%可能彌補了材料損失。隨著緯帶寬度的降低，縫合保持強度呈下降趨勢，但仍遠高于血管外科常用導管大隱靜脈的縫合保持強度。同樣，不同組之間的爆破壓和壁間滲透性也沒有明顯差異。當緯帶寬度從4毫米降至3毫米時，順應性略有增加，但未觀察到明顯差異。綜上所述，以上結果表明，將緯紗帶寬度從5毫米降至3毫米，可減少壁厚，提高TEVG的柔韌性，同時保持足夠強的植入性。
圖4 TEVG管腔表面波紋對管壁剪切應力（WSS）模擬的影響
接著研究人員想評估編織設計變化對WSS的影響。根據最初編織設計（經線數：51，緯線尺寸：2×5毫米寬帶，緯線張力：高）和優化后編織設計（經線數：27，緯線尺寸：2×3毫米寬帶，緯線張力：低）TEVG的μCT圖像制作CFD模型，以模擬移植物內的血流變化。模型預測表明，剪應力峰值將產生于波峰，緯線之間波谷中的WSS要低得多。這些模型還表明，優化設計將產生更低的剪切應力峰值和更均勻的WSS。對WSS值頻率的量化證實這些觀察結果，因為其顯示出中間值在優化表面上更為常見，而極端值則較為罕見。對低WSS（<0.5 Pa）、正常WSS（0.5-3 Pa）和高WSS（>3 Pa）三個范圍的WSS值累積頻率進行計算。結果顯示，采用優化設計的TEVG在正常WSS范圍內頻率較高，在高WSS和低WSS范圍內頻率分別降低19%和8%。
圖5 CAM片脫細胞過程以及編織的TEVG機械性能分析
本文所有實驗都是使用"脫細胞"的CAM進行操作。雖然已有數據表明異體"脫細胞"CAM具有良好的耐受性，但研究人員仍進行了脫細胞過程對編織TEVG力學性能的影響研究，促進ECM處理方法進一步發展。圖5顯示去活力或脫細胞CAM片編織的TEVG特性比較。DAPI染色和DNA定量證實CAM片脫細胞過程有效。DNA含量降低97%。單軸拉伸測試結果，脫細胞帶的破壞力（-13%）略低于去活力帶。脫細胞帶制成的緯線直徑明顯小于去活力帶制成的緯線直徑，與之前結果一致，使表面波紋顯著減少。與去活力化移植物相比，脫細胞TEVG的經線明顯更寬，緯線密度更低。在TEVG脫細胞后，緯線密度增加62%，經線密度降低10%。脫細胞移植物的內徑也略小（7%），但壁薄得多（35%）。去活力TEVG與脫細胞TEVG之間最重要的區別是，脫細胞TEVG的透壁通透性要高得多（288%）。與去活力TEVG相比，脫細胞TEVG的爆破壓明顯更高（96%），但縫合保持強度不變。最后，脫細胞TEVGs的順應性明顯降低，與爆破壓增加情況一致。
總結與展望
本文開發了一種更加優化的編織設計，生產出一種人工編織組織工程血管TEVG，其結構和機械性能都比初代原型有所提高。通過更好了解編織參數與接枝特性之間的關系，本文建立了一個知識庫，為開發編織TEVG或其他基于CAM的紡織品提供支持。該工具可用于根據體內性能調整移植物設計。下一步將把這種優化的TEVG植入異體動靜脈分流動物模型中，研究其在機械和免疫環境下的重塑和性能，為進一步臨床應用奠定堅實的基礎。
文章來源：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1758-5090/ad0d14
