天然血管、天然组织、体外诱导自体细胞产生的血管和皮下埋植产生的生物管经脱细胞化后制备的小口径人工血管（内径小于6毫米）能够很好地保留其原有的细胞外基质（ECM）的结构和功能性组分，展示了优异的通畅性、良好的血管再生性和优异的宿主-移植物整合性。然而，现有ECM的制备方法存在供体来源受限、材料加工繁琐、生物反应器要求高、体外血管培养时间长和成本高等缺点，限制了其临床应用。因此，快速低成本的构建类ECM材料有望提高小口径人工血管的临床适用性。
为解决以上问题，纳米中心查瑞涛、解放军总医院九中心肖敏、阜外医院张岩和南科大蒋兴宇合作通过京尼平交联、塑料压缩、静电纺丝和卷曲成型法，快速构建了类ECM基小口径人工血管（静电纺丝膜-胶原蛋白/红细胞膜-京尼平水凝胶管，ES-C/Rm-G-ht）（图1）。与现有ECM基小口径人工血管（制备时间为4-18周）相比，ES-C/Rm-G-ht的制备时间缩短了近200倍（图1a）；同时，ES-C/Rm-G-ht的结构和生化特性与ECM相似，表现出优异的细胞响应性和快速的血管再生性（图1b）。
图1 具有类ECM的结构和功能的ES-C/Rm-G-ht的快速构建及其促血管再生（1）ES-C/Rm-G-ht展示了类ECM的结构ECM具有丰富的胶原纤维、层状蜂窝状结构和多种功能分子，展示了优异的强度和细胞响应性。ECM中的胶原蛋白分子可以通过非共价相互作用自组装形成水凝胶。尽管胶原蛋白水凝胶的组成和多孔结构与天然ECM相似，但它们的强度低，稳定性差，不适合用于构建小口径人工血管。京尼平交联和塑性压缩显著地提高了胶原蛋白水凝胶的强度和稳定性，但塑性压缩损害了其多孔结构（图2d-2g）。红细胞膜的引入克服了胶原蛋白水凝胶的上述矛盾。与胶原蛋白水凝胶相比，红细胞膜作为结构单元提高了胶原蛋白/红细胞膜水凝胶的交联度，在塑性压缩后可以保持多孔结构，表现出类ECM的层状蜂窝状结构（图2d）。
卷曲成型技术可以用于快速构建小口径人工血管，然而胶原蛋白/红细胞膜水凝胶管的卷曲层间粘附力不足使得制备的胶原蛋白/红细胞膜水凝胶管存在强度低和动态稳定性差等缺点（图3b）。聚己内酯/胶原蛋白/京尼平静电纺丝膜的引入不仅强化了ES-C/Rm-G-ht的结构强度，而且提高了其动态稳定性（图3c-3h）。相较于传统卷曲成型法所依赖的高成本生物粘合剂，ES-C/Rm-G-ht的创新之处在于无需使用此类粘合剂，开创了一种既迅速又经济高效的制备小口径人工血管的方法，具有更好的临床应用潜力。
图3 ES-C/Rm-G-ht的结构稳定性和力学性能（3）ES-C/Rm-G-ht展示了类ECM的生物活性ES-C/Rm-G-ht的多孔结构和红细胞膜的多种功能性组分使得其具有优异的生物活性。体外细胞实验显示C/Rm-G-hc作为ES-C/Rm-G-ht中与细胞直接的接触层，其与HUVECs共孵育48 h后，HUVECs具有高的伤口愈合率和高的细胞活性，促进了VEGF的分泌（图4a-4e）。体内颈动脉移植结果显示ES-C/Rm-G-ht具有优异的通畅性，促进了血管再生。兔子颈动脉移植31天后，超声多普勒图像和动脉造影图像显示ES-C/Rm-G-ht的血流速度和内径与兔子的颈动脉无显著性差异，无血流湍流出现（图5a-5d）；组织切片结果显示ES-C/Rm-G-ht促进了内皮细胞招募（内皮化率95%）和收缩性平滑肌细胞层的再生（平滑肌细胞层再生率100%）（图6a-6c）。相比于对照组（ES-C-G-ht），ES-C/Rm-G-ht的吻合口和四分之一处再生的平滑肌细胞层的厚度与自体动脉相似，无内膜增生（图6d）。
图4 C/Rm-G-hc对HUVECs的迁移与增殖的影响
图5 ES-C/Rm-G-ht兔子颈动脉移植31天后的通畅性
图6 ES-C/Rm-G-ht兔子颈动脉移植31天后的血管细胞的招募评价本研究不仅提供了一种快速构建具有类ECM的结构和功能的小口径人工血管的策略，而且也为快速构建ECM仿生物或胶原蛋白衍生的组织工程支架提供了思路。以上研究工作近期以“Rapid Preparation of Collagen/Red Blood Cell Membrane Tubes for Stenosis-free Vascular Regeneration”为题发表在ACS Nano上。论文的第一作者为国家纳米科学中心张春亮博士，通讯作者为国家纳米科学中心查瑞涛、中国人民解放军总医院第九医学中心肖敏、中国医学科学院阜外医院张岩和南方科技大学蒋兴宇。该工作得到国家重点研发计划（2022YFB3804700）、国家自然科学基金（32171397、82172099和32071390）等基金的支持。感谢兰州大学基础医学院王凯荣教授对动物实验提供的帮助。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c11919
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