科研进展

深圳先进院复合支架材料调控血管内皮重塑机制研究获新进展

  

  近日,中国科学院深圳先进技术研究院杜学敏副研究员研究团队,联合华东师范大学张利东研究员和香港大学王敏教授,设计构建了功能仿生的血管组织工程复合支架,并就复合支架调控血管内皮化展开研究,揭示了复合支架生物活性和力学性能影响血管内皮重塑的机制(图1)。该项研究成果以“Regulation Effects of Biomimetic Hybrid Scaffolds on Vascular Endothelium Remodeling”为题发表在材料领域权威期刊ACS Applied Materials & Interfaces(IF: 8.097)上(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, DOI: 10.1021/acsami.8b06205),论文第一作者为深圳先进院赵启龙博士,通讯作者为张利东教授和杜学敏副研究员。

  研发功能性人工血管对于治疗目前全球致死人数最多的心血管疾病具有重要意义。但目前人工血管材料严重受制于内皮化功能不足,植入后易发生血栓性栓塞而失效。为解决此难题,杜学敏博士研究团队在前期工作中结合仿生智能材料(Advanced Materials, 2017, 29, 1702231;Advanced Materials Technologies, 2017, 2, 1700120),有效改善了血管的三维内皮化(Advanced Functional Materials, 2018, 1801027)。前期研究发现,在具有仿生生物活性和力学性能的纳米纤维复合支架引导下,血管内皮重塑可得到更为有效的促进。然而,对于具有二元组分的复合支架材料,生物活性的增强通常造成力学性能下降,反之亦然。因此,为获得理想的血管组织工程复合支架材料,需明确材料生物活性和力学性能调控血管内皮重塑的机制,以便设计具有优化组分的人工血管。 

图1. 具有弹性片段和细胞黏附片段的纳米纤维复合支架对血管内皮细胞功能的调控

  为此,研究团队设计并构建了一系列具有不同弹性片段和细胞黏附片段比例的纳米纤维复合支架。支架的生物活性和力学性能等支架性能可有效调控。研究发现,具有高比例细胞黏附片段的复合支架在细胞培养初期可有效促进血管内皮细胞黏着斑的形成(图2),由此介导细胞与支架间较强的相互作用,对于内皮化初期的血管内皮细胞附着具有重要意义。而支架的力学性能则会对血管内皮细胞间相互作用的形成产生重要影响。在适当的力学性能增强的复合支架表面,血管内皮细胞在初期细胞黏附较低的情况下,仍然可实现融合的血管内皮细胞单层的快速形成(图3)。在结构和性能上更高的稳定性,确保了支架用于构建人工血管的极大潜力。综上,复合支架材料的生物活性在调控血管内皮重塑中起主导作用,而力学性能亦是影响血管内皮重塑过程中血管内皮细胞间联结形成的重要因素。理想的人工血管材料需在满足材料力学性能要求的前提下具备尽量优化的生物活性。  

图2. 血管内皮细胞在不同复合支架上的细胞黏附和黏着斑形成情况。(A, D)高活性低弹性支架;(B, E)中活性中弹性支架;(C, F)低活性高弹性支架  

图3. 血管内皮细胞在不同复合支架上的细胞间相互作用情况。(A)高活性低弹性支架;(B)中活性中弹性支架;(C)低活性高弹性支架

  相关成果不仅为促进血管内皮重塑提供了优化的复合支架材料,并对基于复合材料的人工血管设计具有重要指导意义,将有望有效推进新型人工血管材料的研发。

  该研究工作得到了科技部重点研发专项(2017YFA0701303)、广东省引进创新创业团队(2013S046)、粤港科技合作资助计划(2017A050506040)、深圳市孔雀团队以及深圳市基础研究(JCYJ20170307164610282)等项目的资助。

  论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b06205 

  相关论文:

  1. Qilong Zhao, Huanqing Cui, Juan Wang, Hongxu Chen, Yunlong Wang, Lidong Zhang, Xuemin Du, Min Wang, Regulation effects of biomimetic hybrid scaffolds on vascular endothelium remodeling, ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, DOI: 10.1021/acsami.8b06205.

  2. Qilong Zhao, Juan Wang, Huanqing Cui, Hongxu Chen, Yunlong Wang, Xuemin Du, Programmed shape-morphing scaffolds enabling facile 3D endothelialization, Advanced Functional Materials, 2018, 1801027.

  3. Xuemin Du, Huanqing Cui, Bin Sun, Juan Wang, Qilong Zhao, Kai Xia, Tianzhun Wu, Mark S. Humayun, Photothermally triggered shape-adaptable 3D flexible electronics, Advanced Materials Technologies, 2017, 2, 1700120.

  4. Lidong Zhang, Pan?e Naumov, Xuemin Du, Zhigao Hu, Juan Wang, Vapomechanically responsive motion of microchannel-programmed actuators, Advanced Materials, 2017, 29, 1702231.