组织工程血管（TEVGs）近年来逐渐应用于临床，具有生物相容性强和机械性能可调等特性。将细胞组装的细胞外基质（CAM）与编织相结合，编织是一种多功能组装方法，可对移植物进行精准控制。近日，来自法国波尔多大学的Nicolas L’Heureux教授团队进行了编织参数对生物组织工程血管移植物性能影响的相关研究。研究成果以“Effects of weaving parameters on the properties of completely biological tissue-engineered vascular grafts”为题于11月24日发表在《Biofabrication》上。
本文研究了如何通过改变生产参数进而改变TEVG的几何和机械性能，使其更好与原生血管相匹配，从而提供长期的通畅性。研究人员的目标是降低第一代编织TEVG的机械强度和管腔表面轮廓，同时保持较低跨膜渗透性和良好缝合固定强度。通过改变CAM的强度以及经纱支数、纬纱带宽度和纬纱张力等编织参数，生产出不同的TEVG。优化设计使爆破压力降低35%，壁厚减少38%，顺应性提高269%。改进后的TEVG更接近于原生血管的特性，爆破压为3492 mmHg，壁厚为0.69 mm，顺应性为4.8%/100 mmHg，同时保持极佳的缝合强度（4.7 N）和较低的跨壁渗透性(24 ml min-1 cm-2）。此外，新设计还将管腔表面轮廓缩小48%，使用的CAM减少47%。在类似设计中，使用脱细胞CAM线可使TEVG的管壁通透性更高，爆破压力更大。下一步是将这种优化后的血管移植物植入异体绵羊动静脉分流模型中，进一步评估其体内重塑情况和性能。
本文从以下几个方面进行详细描述
1. TEVG制作
2. CAM板强度的影响
3. 经纱数量的影响
4. 纬纱带宽度的影响
5. 纬纱张力的影响
6. 管腔表面波纹对管壁剪切应力模拟的影响
7. 血液流动CFD模拟
8. 编织参数对TEVG特性的影响
9. 脱细胞过程的影响
图1 TEVG的制造
图1简介TEVG生产所涉及的步骤。CAM片用于生产经线和纬线。经线由5毫米宽的CAM带制成。纬线由两条CAM带拧在一起制成。使用两条丝带生产纬线，是为了让纬线在血液透析过程中能更好抵御每周的反复穿刺过程。捻线的目的是产生有弹性的线。纬线在一组可移动的经线和一组固定的张力经线之间反复滑动，以生产出壁质均匀的人工血管移植物。修改后的编织参数作为TEVG编织过程中使用的经纱支数（纵向丝带的总数）、纬纱丝带宽度（用于生产纬纱的2条丝带的宽度）和纬纱张力。
图2 纬带宽度对编织TEVG线径和结构特性的影响
图3 不同纬带宽度编织的TEVG机械性能变化
本文研究目的除降低血管的强度，使其更接近原生血管外，还有降低管壁厚度，使TEVG更灵活、更可用。假设这两个目标都可以通过减少纬纱中的材料量来实现，因为管材的周向应力是纵向应力的两倍，而纬纱支撑大部分应力。因此，本文使用宽度较窄的纬带编织TEVG。结果显示使用两条3毫米宽的纬带捻在一起会使纬线的直径明显变小，进而使TEVG的纬线密度明显增加。此外，这还导致TEVG的壁更薄，使用μCT三维重建可以证明。但是使用较细纬线的一个缺点是，当使用较细纬线时，编织的TEVG内径略有增加。出现这种现象的原因可能是，在使用更细纬线织造时，纬线的张力较小，织出的织物内部张力较小，从织机芯轴上取下后收缩也不明显。尽管使用的纬线所含材料减少40%，但TEVGs的植入相关特性并没有发生显著变化。之前显示的纬线密度增加40%可能弥补了材料损失。随着纬带宽度的降低，缝合保持强度呈下降趋势，但仍远高于血管外科常用导管大隐静脉的缝合保持强度。同样，不同组之间的爆破压和壁间渗透性也没有明显差异。当纬带宽度从4毫米降至3毫米时，顺应性略有增加，但未观察到明显差异。综上所述，以上结果表明，将纬纱带宽度从5毫米降至3毫米，可减少壁厚，提高TEVG的柔韧性，同时保持足够强的植入性。
图4 TEVG管腔表面波纹对管壁剪切应力（WSS）模拟的影响
接着研究人员想评估编织设计变化对WSS的影响。根据最初编织设计（经线数：51，纬线尺寸：2×5毫米宽带，纬线张力：高）和优化后编织设计（经线数：27，纬线尺寸：2×3毫米宽带，纬线张力：低）TEVG的μCT图像制作CFD模型，以模拟移植物内的血流变化。模型预测表明，剪应力峰值将产生于波峰，纬线之间波谷中的WSS要低得多。这些模型还表明，优化设计将产生更低的剪切应力峰值和更均匀的WSS。对WSS值频率的量化证实这些观察结果，因为其显示出中间值在优化表面上更为常见，而极端值则较为罕见。对低WSS（<0.5 Pa）、正常WSS（0.5-3 Pa）和高WSS（>3 Pa）三个范围的WSS值累积频率进行计算。结果显示，采用优化设计的TEVG在正常WSS范围内频率较高，在高WSS和低WSS范围内频率分别降低19%和8%。
图5 CAM片脱细胞过程以及编织的TEVG机械性能分析
本文所有实验都是使用"脱细胞"的CAM进行操作。虽然已有数据表明异体"脱细胞"CAM具有良好的耐受性，但研究人员仍进行了脱细胞过程对编织TEVG力学性能的影响研究，促进ECM处理方法进一步发展。图5显示去活力或脱细胞CAM片编织的TEVG特性比较。DAPI染色和DNA定量证实CAM片脱细胞过程有效。DNA含量降低97%。单轴拉伸测试结果，脱细胞带的破坏力（-13%）略低于去活力带。脱细胞带制成的纬线直径明显小于去活力带制成的纬线直径，与之前结果一致，使表面波纹显著减少。与去活力化移植物相比，脱细胞TEVG的经线明显更宽，纬线密度更低。在TEVG脱细胞后，纬线密度增加62%，经线密度降低10%。脱细胞移植物的内径也略小（7%），但壁薄得多（35%）。去活力TEVG与脱细胞TEVG之间最重要的区别是，脱细胞TEVG的透壁通透性要高得多（288%）。与去活力TEVG相比，脱细胞TEVG的爆破压明显更高（96%），但缝合保持强度不变。最后，脱细胞TEVGs的顺应性明显降低，与爆破压增加情况一致。
总结与展望
本文开发了一种更加优化的编织设计，生产出一种人工编织组织工程血管TEVG，其结构和机械性能都比初代原型有所提高。通过更好了解编织参数与接枝特性之间的关系，本文建立了一个知识库，为开发编织TEVG或其他基于CAM的纺织品提供支持。该工具可用于根据体内性能调整移植物设计。下一步将把这种优化的TEVG植入异体动静脉分流动物模型中，研究其在机械和免疫环境下的重塑和性能，为进一步临床应用奠定坚实的基础。
文章来源：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1758-5090/ad0d14
