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                東華大學洪楓教授團隊在小口徑人工血管上的新進展:高效均一引入絲素蛋白納米顆粒和肝素改善細菌納米纖維素管材性能
                2021-02-26  來源:高分子科技

                  近日,東華大學洪楓教授團隊利用簡便的液體施壓技術,將絲素蛋白納米顆粒(silk fibroin nanoparticles, SFNP)快速均一地引入到細菌納米纖維素(bacterial nanocellulose, BNC)小徑管內壁纖維網絡,進一步固定后得到BNC-SFNP復合管,通過血液、細胞和動物皮下包埋等研究詳細評價了該復合管作為小徑人工血管的潛力。該成果以Improved Performance of Bacterial Nanocellulose Conduits by the Introduction of Silk Fibroin Nanoparticles and Heparin for Small-Caliber Vascular Graft Applications為題,作為封面文章(圖1)發表于Biomacromolecules(DOI: 10.1021/acs.biomac.0c01211)上。


                圖1. 文章封面圖


                  該方法巧妙地利用了BNC獨特的天然納米纖維網絡以及氫鍵在高壓水環境中不穩定的特性。肝素(Hep)的引入試圖采用以下兩種方式(圖2):一是將肝素包裹到SFNP中得到SF-HepNP顆粒,用于BNC-SF-HepNP復合管的構建,另一種是將肝素化學接枝到SFNP上得到BNC-SFNP-Hep復合管。第一種方法中由于SF-HepNP整體粒徑較大,通過液體施壓技術僅使部分顆粒復合到纖維網絡內部。而第二種化學接枝的方法可以使肝素成功復合,并且得到的BNC-SFNP-Hep復合管具有優異的抗凝血、促進內皮細胞增殖,以及抑制平滑肌細胞過度增生的性能,在小口徑人工血管中具有極大的應用潛力。


                圖2. 實驗設計示意圖。通過負載兩種絲素蛋白微球(SFNP)來制備基于BNC的小口徑人造血管,一種是肝素(Hep)包裹在微球中,另一種是化學接枝到微球表面;以純BNC、接枝肝素的BNC-Hep以及復合SFNP的BNC-SFNP為對照,評估血液、細胞以及組織相容性。


                  據世界衛生組織年度報告可知,心血管疾病(Cardiovascular diseases,CVD)已成為人類死亡的主要病因。血管重建在動靜脈病變、先天性畸形、血管腫瘤和血管支架植入后再閉塞等CVD臨床手術中占有重要地位。自體血管移植是血管重建手術中的金標準,但是由于供體來源有限、病人二次創傷等問題遠遠不能滿足臨床需求。用滌綸或者膨體聚四氟乙烯材料制備而成的大口徑人工血管(內徑大于或等于6 mm)已經在臨床上廣泛使用,但是當它們應用于小口徑人工血管時(內徑小于6 mm),卻由于血管栓塞、內膜增生等問題一直未能成功,因此迄今市場上依舊沒有一款小口徑人工血管產品。由此可見,構建具有長期暢通率的小口徑人工血管是目前研究的重點和難點。


                  BNC由于獨特的納米三維網絡結構、高純度以及良好的力學性能和生物相容性,被認為在小口徑人工血管領域具有極好的應用潛能。但是,純粹纖維素缺乏生物活性,不具有主動抗凝血以及顯著促進內皮細胞黏附增殖的性能,而天然來源的絲素蛋白(silk fibroin, SF)具有促進內皮細胞增殖的功能,肝素則是臨床上廣泛使用的抗凝劑。現有常規制備BNC基復合材料一般采用浸漬法,但是復合后的分子很容易爆釋,因此采用何種技術巧妙地將SF和肝素復合到BNC管中,成為了該研究的重點。


                  針對以上問題,東華大學洪楓教授課題組設計開發了一種基于BNC納米三維網絡結構特性的液體施壓技術(中國發明專利ZL201710948421.0和ZL201710949036.8),可將含有高分子、微納米材料(如SFNP)等的溶液壓入風干板結的纖維網絡內部,快速充滿網絡孔隙的同時破壞板結纖維之間的氫鍵,從而恢復BNC三維網絡結構,進一步固定后即得到BNC基復合物。在最近的報道中,研究人員試圖通過此技術將兩種蛋白顆粒(SFNP和SF-HepNP)壓入纖維網絡內部,以期制備BNC-SFNP和BNC-SF-HepNP這兩種BNC基復合管。圖3顯示這兩種蛋白顆粒具有不同的尺寸,經ImageJ統計可知,包裹了肝素的SF-HepNP直徑比未包的SFNP要大一倍以上。復合管產品設計示意圖如圖4所示。研究表明,由于SF-HepNP粒徑較大,進入BNC管壁的較少,而BNC-SFNP粒徑小,均一進入管壁后,利用蛋白上的氨基與肝素上的羧基形成酰胺鍵,進一步肝素化,得到BNC-SFNP-Hep(微觀結構如圖5所示)。BNC-SFNP-Hep復合管具有優異的抗凝血性能(結果如圖6所示),促進內皮細胞黏附增殖以及抑制平滑肌細胞過度增殖的性能(結果如圖7所示),大鼠皮下植入后材料周圍幾乎沒有肉眼可見的炎癥,且H&E圖像顯示BNC-Hep和BNC-SFNP-Hep上沒有明顯的炎性細胞(圖8C),表明接枝肝素有利于減輕炎癥反應。在BNC-SFNP管上觀察到最大的細胞浸潤,表明引入蛋白利于細胞的粘附增殖。早期炎癥有利于傷口愈合,而長期或過度的炎癥則是有害的。因此,研究中所有樣本的輕微炎癥可能是有益的。Masson的三色染色圖像表明細胞分泌產生了膠原,為組織再生提供了適宜的微環境。以上結果均表明BNC-SFNP-Hep在小口徑人工血管領域具有更好的應用前景。


                圖3 (a)DLS分析的微球直徑分布,(b)SFNPs和SF-HepNPs的SEM形貌,(c)ImageJ測量統計的微球直徑分布。


                圖4. 產品設計示意圖,A為兩種SFNP顆粒的制備示意圖,B為合成BNC管的生物反應器示意圖,C為BNC基復合管的制備過程示意圖。


                圖5. BNC、BNC-SFNP、BNC-SF-HepNP、BNC-Hep和BNC-SFNP-Hep管材內外表面在不同放大倍率下的顯微形貌(左:20000×;右:5000×)。


                圖6 抗凝血性研究,a為溶血率,b為血小板黏附,c為血漿復鈣動力學研究,d、e、f分別為c對應的血漿復鈣時間、起點和終點吸光度值。


                圖7. 人臍靜脈內皮細胞的細胞毒性(Ⅰ)、活死細胞熒光染色及SEM觀察(Ⅲ),人平滑肌細胞的細胞毒性(Ⅱ)、細胞骨架染色和SEM觀察(Ⅳ)。


                圖 8. BNC、BNC-SFNP、BNC-Hep以及BNC-SFNP-Hep管在大鼠皮下移植前(A)和4周后(B)的宏觀形態;H&E(C)和Masson三色(D)染色圖像。第4行和第6行是第3行和第5行中黃色矩形內組織的放大視圖;材料和組織的大致邊界用黃色虛線標出,*表示材料一側。


                  論文第一作者為東華大學化學化工與生物工程學院博士生包露涵,通訊作者為細菌納米纖維制造及復合技術科研基地的洪楓教授。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和東華大學博士研究生創新基金的資助。


                  全文下載鏈接:https://doi.org/10.1021/acs.biomac.0c01211


                  該研究團隊長期從事細菌纖維素的低成本高效制備及其高附加值醫學應用研究(https://www.researchgate.net/profile/Feng_Hong2),包括在細菌纖維素基小口徑人工血管、神經導管、止血海綿、載藥纖維素緩釋凝膠、功能敷料等生物醫學領域開展了大量工作。


                  BNC基小口徑人工血管研究領域,該團隊于國際上首次提出并構建了“雙硅膠管”生物反應器用于高效生產一體化管狀BNC材料1,研究比較了不同反應器制備BNC管的培育歷程,揭示了BNC合成過程中的溶氧和菌體分布,以及不同培養條件對BNC管的結構和性能的影響2,并詳細比較了國內外三種生物反應器制備得到的BNC管的結構和性能差異3。以BNC管為基底材料,制備了BNC-PVA4,5、肝素化的BNC-殼聚糖6、BNC-明膠7等一系列復合管,分別在力學性能、抗凝血性、生物活性等方面進行改善,以進一步提升應用于小口徑人工血管的潛力。最近,該團隊為解決BNC凝膠管儲存貨架周期短和手術縫合操作難等問題,在國際上又率先評價了風干細菌纖維素小徑管在兔頸動脈模型中的替換應用情況8

                1. Preliminary study on biosynthesis of bacterial nanocellulose tubes in a novel double-silicone-tube bioreactor for potential vascular prosthesis. BioMed Research International, 2015, 2015, 560365.

                2. Comparison of two types of bioreactors for synthesis of bacterial nanocellulose tubes as potential medical prostheses including artificial blood vessels. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 2017, 92, 1218-1228.

                3. Physicochemical properties and in vitro biocompatibility of three bacterial nanocellulose conduits for blood vessel applications. Carbohydrate Polymers, 2020, 239, 116246.

                4. Potential of PVA-doped bacterial nano-cellulose tubular composites for artificial blood vessels. Journal of Materials Chemistry B, 2015, 3, 8537-8547.

                5. 細菌納米纖維素/聚乙烯醇小徑人工血管的制備及其表征. 中國組織工程研究, 2017, 21(34), 5474-5480.

                6. Performance improvements of the BNC tubes from unique double-silicone-tube bioreactors by introducing chitosan and heparin for application as small-diameter artificial blood vessels. Carbohydrate Polymers, 2017, 178, 394-405.

                7. 肝素/魚源明膠改性細菌納米纖維素管用于小口徑人工血管的潛力. 纖維素科學與技術, 2019, 27(2), 1-10.

                8. Implantation of air-dried bacterial nanocellulose conduits in a small-caliber vascular prosthesis rabbit model.  Materials Science & Engineering C, 2021, 122, 111922

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