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納米中心查瑞濤、解放軍總醫院九中心肖敏、阜外醫院張巖和南科大蔣興宇 ACS Nano:快速構建類細胞外基質用于無狹窄血管再生
2025-01-17  來源:高分子科技

  天然血管、天然組織、體外誘導自體細胞產生的血管和皮下埋植產生的生物管經脫細胞化后制備的小口徑人工血管(內徑小于6毫米)能夠很好地保留其原有的細胞外基質(ECM)的結構和功能性組分,展示了優異的通暢性、良好的血管再生性和優異的宿主-移植物整合性。然而,現有ECM的制備方法存在供體來源受限、材料加工繁瑣、生物反應器要求高、體外血管培養時間長和成本高等缺點,限制了其臨床應用。因此,快速低成本的構建類ECM材料有望提高小口徑人工血管的臨床適用性。


  為解決以上問題,納米中心查瑞濤、解放軍總醫院九中心肖敏、阜外醫院張巖和南科大蔣興宇合作通過京尼平交聯、塑料壓縮、靜電紡絲和卷曲成型法,快速構建了類ECM基小口徑人工血管(靜電紡絲膜-膠原蛋白/紅細胞膜-京尼平水凝膠管,ES-C/Rm-G-ht)(圖1)。與現有ECM基小口徑人工血管(制備時間為4-18周)相比,ES-C/Rm-G-ht的制備時間縮短了近200倍(圖1a);同時,ES-C/Rm-G-ht的結構和生化特性與ECM相似,表現出優異的細胞響應性和快速的血管再生性(圖1b)。


具有類ECM的結構和功能的ES-C/Rm-G-ht的快速構建及其促血管再生


1ES-C/Rm-G-ht展示了類ECM的結構


  ECM具有豐富的膠原纖維、層狀蜂窩狀結構和多種功能分子,展示了優異的強度和細胞響應性。ECM中的膠原蛋白分子可以通過非共價相互作用自組裝形成水凝膠。盡管膠原蛋白水凝膠的組成和多孔結構與天然ECM相似,但它們的強度低,穩定性差,不適合用于構建小口徑人工血管。


  京尼平交聯和塑性壓縮顯著地提高了膠原蛋白水凝膠的強度和穩定性,但塑性壓縮損害了其多孔結構(圖2d-2g)。紅細胞膜的引入克服了膠原蛋白水凝膠的上述矛盾。與膠原蛋白水凝膠相比,紅細胞膜作為結構單元提高了膠原蛋白/紅細胞膜水凝膠的交聯度,在塑性壓縮后可以保持多孔結構,表現出類ECM的層狀蜂窩狀結構(圖2d)。


膠原蛋白/紅細胞膜水凝膠的微觀形貌和穩定性


2ES-C/Rm-G-ht實現了快速構建


  卷曲成型技術可以用于快速構建小口徑人工血管,然而膠原蛋白/紅細胞膜水凝膠管的卷曲層間粘附力不足使得制備的膠原蛋白/紅細胞膜水凝膠管存在強度低和動態穩定性差等缺點(圖3b)。


  聚己內酯/膠原蛋白/京尼平靜電紡絲膜的引入不僅強化了ES-C/Rm-G-ht的結構強度,而且提高了其動態穩定性(圖3c-3h。相較于傳統卷曲成型法所依賴的高成本生物粘合劑,ES-C/Rm-G-ht的創新之處在于無需使用此類粘合劑,開創了一種既迅速又經濟高效的制備小口徑人工血管的方法,具有更好的臨床應用潛力。


3 ES-C/Rm-G-ht的結構穩定性和力學性能


3ES-C/Rm-G-ht展示了類ECM的生物活性


  ES-C/Rm-G-ht的多孔結構和紅細胞膜的多種功能性組分使得其具有優異的生物活性。


  體外細胞實驗顯示C/Rm-G-hc作為ES-C/Rm-G-ht中與細胞直接的接觸層,其與HUVECs共孵育4h后,HUVECs具有高的傷口愈合率和高的細胞活性,促進了VEGF的分泌(圖4a-4e)。


  體內頸動脈移植結果顯示ES-C/Rm-G-ht具有優異的通暢性,促進了血管再生。兔子頸動脈移植31天后,超聲多普勒圖像和動脈造影圖像顯示ES-C/Rm-G-ht的血流速度和內徑與兔子的頸動脈無顯著性差異,無血流湍流出現(圖5a-5d);組織切片結果顯示ES-C/Rm-G-ht促進了內皮細胞招募(內皮化率95%)和收縮性平滑肌細胞層的再生(平滑肌細胞層再生率100%)(圖6a-6c)。相比于對照組(ES-C-G-ht),ES-C/Rm-G-ht的吻合口和四分之一處再生的平滑肌細胞層的厚度與自體動脈相似,無內膜增生(圖6d)。


4 C/Rm-G-hcHUVECs遷移與增殖的影響


5 ES-C/Rm-G-ht兔子頸動脈移植31天后的通暢性


6 ES-C/Rm-G-ht兔子頸動脈移植31天后的血管細胞的招募評價


  本研究不僅提供了一種快速構建具有類ECM的結構和功能的小口徑人工血管的策略,而且也為快速構建ECM仿生物或膠原蛋白衍生的組織工程支架提供了思路。


  以上研究工作近期Rapid Preparation of Collagen/Red Blood Cell Membrane Tubes for Stenosis-free Vascular Regeneration為題發表在ACS Nano上。論文的第一作者為國家納米科學中心張春亮博士,通訊作者為國家納米科學中心查瑞濤、中國人民解放軍總醫院第九醫學中心肖敏、中國醫學科學院阜外醫院張巖和南方科技大學蔣興宇。該工作得到國家重點研發計劃(2022YFB3804700)、國家自然科學基金(321713978217209932071390等基金的支持。感謝蘭州大學基礎醫學院王凱榮教授對動物實驗提供的幫助。


  論文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsnano.4c11919

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(責任編輯:xu)
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