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临床上,每年都有因各种血管疾病(如血管损伤、缺血性疾病及动脉瘤等)带来对血管移植物的高需求。组织工程化血管(TEVGs)是未来最有前景的可用于治疗各种血管疾病的“理想”血管替代物,但目前影响TEVGs临床应用转化的一个主要原因是其植入体内的低远期通畅率问题,尤其是小口径TEVGs(<6 mm)。这主要是由于TEVGs对天然血管组织细胞外基质(ECM)的仿生性不足及领域内对细胞-基质间相互作用的认识还不充分。基于电纺仿生纤维的血管组织工程是领域内的一个研究热点,鉴于天然血管组织的各向异性结构特点,采用仿生取向纤维来构建TEVGs已逐渐受到领域研究者的关注。为实现高仿生TEVGs的构建和维持TEVGs体内的长期通畅及加快其临床应用转化,必须深入理解仿生取向纤维的重要表界面信号(拓扑、力学及生化)在调控血管细胞行为中的作用及机理。本学位论文研究从以下三个方面展开:(1)从调控仿生取向纤维表界面拓扑结构信号的角度出发,本研究首先通过调控纺丝液浓度和注射速率成功制备四种不同直径(0.49、1.76、3.06、4.15μm)的聚乳酸-己内酯共聚物(PLCL)取向纤维,并评价了对人脐静脉内皮细胞(huvECs)响应行为的影响。发现纤维直径过细和过粗均显著影响纤维表面拓扑结构对细胞生长的接触引导作用。纤维直径过细减弱细胞-基质间的相互作用,过粗则减弱细胞-细胞间的相互作用,仅当直径在~2μm时才能维持细胞-细胞和细胞-基质间相互作用的平衡,促进内皮层的功能表达。然后,比较了取向沟槽和取向纤维对huvECs取向生长和功能表达影响的差异,发现20μm取向沟槽主要通过抑制细胞在沟槽范围内的生长空间实现细胞取向;而取向纤维是通过协同利用拓扑引导作用和黏着斑引导应力纤维分布共同实现细胞取向。Rho/ROCK信号通路虽不影响细胞铺展能力,但却调控着细胞黏附速率和细胞形貌,且证实取向沟槽上细胞核取向主要受Rho/ROCK信号调控,而取向纤维上细胞核取向受Rho/ROCK信号和基质拓扑结构的共同调控。从功能上分析,取向纤维比取向沟槽更有利于ECs的功能表达。最后,通过在取向沟槽硅片模具上电纺无纺纤维制备了具纳米拓扑结构的取向沟槽纤维膜,发现这种具多级拓扑结构的纤维可综合利用无纺(纳米)纤维拓扑和取向(微米)沟槽拓扑的优势促进ECs功能表达、提高内皮层的致密完整性和抗凝血性能,且证实该调控途径与Rho/ROCK信号通路密切相关。(2)从调控仿生取向纤维表界面力学信号?刚度的角度出发,本研究选用弹性体PLCL为壳层和刚性体左旋聚乳酸(PLLA)为芯层,通过稳定射流同轴电纺技术(SJCES)制备了仅刚度可变(14.68-2141.72 MPa)而表面化学特性和拓扑结构不变的PLCL/PLLA取向纤维,并研究了取向纤维刚度变化对人脐动脉平滑肌细胞(huaSMCs)和huvECs行为的影响。结果表明:取向纤维刚度不影响huaSMCs的取向形貌,但却促进细胞应力纤维的形成,从而增强细胞增殖和迁移能力,甚至诱导细胞向合成型、病态型(如类巨噬细胞表型)转变,呈现出分泌炎症因子募集炎症细胞来破坏内皮层的完整性和促进SMCs过度增殖,具有造成血栓形成和内膜增生发生的风险;另一方面,高刚度取向纤维可使huvECs细胞骨架处于高应力状态,通过增强胞内应力纤维的形成来提高细胞收缩性、破坏细胞间的连接(促进细胞层内孔隙形成)。这种细胞间连接的破坏降低细胞间的相互作用,增强细胞的增殖和迁移能力,影响再生内皮层的致密完整性、抗血栓功能和重塑能力,具有引发动脉硬化和局部炎症反应等血管疾病的风险。(3)从调控仿生取向纤维表界面的生化信号角度,为加速PLCL取向纤维表面的内皮层再生能力,在成功验证赖氨酸(Lys)的促ECs和SMCs功能表达及促多巴胺(DA)聚合维持涂层稳定的基础上,本研究发展了一种Lys介导聚多巴胺(PDA)涂层(即PDA-Lys)的新型表面修饰方法,用于对PLCL取向纤维进行生化修饰,并评估了形成的PDA-Lys涂层对huvECs行为的影响。从材料表面表征分析,Lys可通过Schiff碱反应和Michael加成反应等与PDA共价交联,显著降低PDA涂层中的非共价键(π-π叠加和氢键)形成,从而形成表面光滑的、结构稳定的、具超亲水性的和促蛋白吸附的功能性涂层。PDA-Lys涂层被证实能显著促进huvECs的粘附和铺展,增强细胞-基质间和细胞-细胞间相互作用利于维持细胞层的致密性,促进再生内皮层的功能表达和成熟。综上所述,本研究通过系统探索取向纤维表界面拓扑结构、力学(刚度)特性和生化信号对血管细胞功能表达的影响,揭示了取向纤维细度对huvECs行为的调控机理,比较了取向沟槽和取向纤维诱导huvECs取向生长和功能表达的差异性,演示了具多级拓扑结构纤维促进huvEC层再生的应用潜力;建立了一种在维持纤维拓扑特征不变的前提下实现刚度大范围可调的取向纤维刚度调控方法,证实细胞形态“正确”并不意味着其功能表达“正确”,不合适的取向纤维刚度具有诱导再生内皮层和再生平滑肌层的功能紊乱、导致血管并发症发生的风险;最后发展了一种新型的表界面改性方法(PDA-Lys生化修饰),证明其具加速取向纤维支架表面的健康内皮化再生的应用功效,也为提高其他惰性合成材料生物相容性提供了可能。这些研究结果将不仅丰富和加深血管组织工程中仿生纤维的表界面特性对调控血管细胞功能作用和机理的认识,也为心血管疾病病理分析提供参考,对推动取向纤维基TEVGs的构建和促进其临床应用转化具有重要指导作用和参考价值。