人工血管的历史、进展和未来挑战

引言

    心血管疾病是全球死亡的主要原因，血管狭窄、闭塞或严重功能障碍是其病理生理机制。血管置换术是治疗血管结构阻塞的首选手术方法。由于健康自体血管的可获得性有限，以及术后并发症的发生，对人造血管的需求不断增加。近期，来自华中科技大学同济医学院附属协和医院的王维慈教授团队在Biomaterials Translational杂志上发表论文《History, progress and future challenges of artificial blood vessels: a narrative review》，本文综述了合成材料用于人造血管移植物存在的相关问题，并对人造血管的产生进行了讨论。我们还讨论了目前制造人造血管的最先进技术，包括材料，制造技术，各种表面修饰方法，以及临床前和临床应用。此外，本文还讨论了移植物的体内外评价、力学性能、挑战和进一步研究的方向。

正文

1.人造血管的产生历史

    如图1所示，研究人员过去曾试图改善对人工血管移植物的需求。奥地利-德国外科医生佩尔在1900年左右用一根由可吸收镁制成的细管进行了实验，这标志着人造血管首次用于人体。然而，由于镁诱导的纤维化组织的形成，患者在3天后死于肺炎。此后，众多研究者们对人工血管进行研究和材料的合成。1986年，Weinberg和Bell制造了第一个组织工程血管。1990年，首次成功进行了人类血管内动脉瘤修复术。此外，1999年，第一条完全自体工程化的动脉被植入猪受体体内。从2000年至今，在开发各种类型的组织工程血管替代物方面取得了重大进展。

图1、人造血管的产生历史

2.1 主要并发症和失效机制：由合成聚合物制成的血管已广泛应用于心血管疾病的治疗。然而，失败仍在继续，未能复制自然脉管系统的关键要素（图2）以及生物力学特性的不匹配可能进一步导致多种并发症。因此，必须了解最常见的失效模式，以促进材料设计的改进（图3）。血管移植失败最常见的原因是再狭窄和血栓形成，并且总是继发于动脉粥样硬化疾病的进展或内膜增生的发展。此外，感染也是移植物晚期失败的主要原因，其中对感染的炎症反应可促进再狭窄。

    图2、 正常人体动脉和静脉的典型结构

    图3、血管移植后的挑战。植入后，随着时间的推移，内皮化不足和SMC的过度增殖可导致IH和血栓形成。炎症细胞在调节内皮细胞和平滑肌细胞的功能中起着重要作用。

2.2 常用人造血管材料有三大类：合成聚合物、天然生物材料以及混合材料。

    表1、不同材料人造血管的优缺点

2.3 组织工程血管移植物（TEVGs）：TEVGs采用具有高组织相容性的材料和工艺制成，导致移植后无排斥反应并保持长期通畅。迄今为止，已经采用了许多制造技术来制造临床上可行的TEVGs，这些TEVGs在材料、制造方法、细胞来源和培养方案方面存在很大差异。总之，这些策略可以大致分为三种常见的方法：脱细胞自然基质法；合成或天然材料的支架工艺；无支架工艺。

2.4 制造技术：制备技术包括拉伸成形、静电纺丝、热相分离、编织技术、3D打印和不同类型材料的交联，已应用于不同类型的人造血管，以改善移植物的力学性能，优化结构，提高产品稳定性和重复性。除了上述制备方法外，人造血管的制造还包括气体发泡、水凝胶技术和冷冻铸造等技术。然而，单一的加工方法往往难以满足人造血管的各种性能要求，不同的加工方法往往被组合使用。

2.5 改进的方法：

1. 2.5.1  降低血栓形成：在血管表面涂覆细胞外基质、白蛋白、肝素。

2. 2.5.2  改善内皮化：固有动脉内皮的经吻合口向内生长，植入部位毛细血管的跨壁向内生长，以及循环系统内皮的血细胞植入。

3.1 体外试验：从力学性能和生物相容性两方面分析了血管移植物的体外评价。

3.2 体内动物模型：为了满足合理测试各种类型人工血管性能的需要，有必要建立一种可行、稳定的动物模型。如果存在合适的动物模型，可以很容易地进行移植和促进术后观察，这些动物模型能够模拟在人造血管环境中的应用。目前，常用的血管活体动物模型有猪、羊、狗、兔和大鼠。

    图4、活体人工血管的评价。（A） 植入时移植物的大体视图。（B） 移植术后大体视图。（C） 移植到大鼠颈总动脉的超声图像。（D） 显示移植物通畅的血管造影记录代表性图像。（E） 苏木精和伊红横截面图。（F） 血管移植物中段的免疫荧光图像。（G） 用于体内评估的常见动物模型。

展望

未来的发展方向应该是用细胞和材料共同构建人造血管。为了开发一种成功、持久的人造血管，以满足日益增长的需求，需要在材料科学、工程、力学和生物学等领域的各种形式的专业知识之间进行强有力的协作。我们希望，随着新技术的出现，能够成功开发出理想移植物的人造血管。

作者介绍

王维慈，华中科技大学同济医学院附属协和医院血管外科血管外科副主任，医学博士，硕士生导师。美国哈佛大学医学院贝斯以色列女执事医院(BIDMC)心血管科PERFUSE Core Lab研究员。国际血管联盟（IUA）中国分部弓上动脉疾病专家委员会委员，国际静脉联盟委员，中国静脉协会委员，中国医疗保健国际交流促进会血管外科分会血栓与抗凝学组委员。专注于血管外科专科十余年，对血管外科常见病诊治经验丰富，如下肢静脉曲张、血管瘤、下肢动脉硬化闭塞症、静脉血栓形成等；擅长颈动脉狭窄、颈动脉瘤的诊断和手术治疗；对各类大血管急重症疾病诊治经验丰富，如胸腹主动脉瘤、主动脉夹层等。

该文章以题为“History, progress and future challenges of artificial blood vessels: a narrative review” 发表在国际期刊Biomaterials Translational。

How to cite this article:

Hu, K.; Li, Y.; Ke, Z.; Yang, H.; Lu, C.; Li, Y.; Guo, Y.; Wang, W. History, progress and future challenges of artificial blood vessels: a narrative review. Biomater Transl. 2022, 3(1), 81-98.

论文链接：

http://www.biomat-trans.com/EN/10.12336/biomatertransl.2022.01.008