本發(fā)明屬于人工血管移植物制備，特別涉及一種三層結(jié)構(gòu)小口徑人工血管及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、心血管疾病是世界上最主要的死亡原因。心血管疾病的主要原因是動(dòng)脈閉塞，這會(huì)導(dǎo)致流向目標(biāo)器官的血液減少。血管手術(shù)，如冠狀動(dòng)脈旁路移植術(shù)和動(dòng)靜脈分流術(shù)，都需要具有生物活性的血管移植物。自體移植物，如隱靜脈和乳腺內(nèi)動(dòng)脈，是治療血管閉塞的金標(biāo)準(zhǔn)移植物，通常需要進(jìn)行兩次手術(shù)，第一次手術(shù)采集患者自身的動(dòng)脈或靜脈，第二次手術(shù)將其作為移植物替代原閉塞的動(dòng)脈，恢復(fù)血液流動(dòng)，此類移植物的缺點(diǎn)是容易引起患者供體部位的損傷，且沒有可用自體移植物的患者無法通過此種方式治愈。血管置換與重建手術(shù)在全球范圍內(nèi)廣泛實(shí)施，旨在拯救眾多心血管、腦血管疾病患者及意外損傷受害者。合成血管移植物不僅避免了自體血管采集的手術(shù)，也為患者提供了額外的手術(shù)機(jī)會(huì)。盡管血管移植物在血管外科領(lǐng)域應(yīng)用普遍，但患者與醫(yī)生常遭遇血栓形成、力學(xué)性能不足及順應(yīng)性不匹配等挑戰(zhàn)，這些問題尤為顯著地影響小直徑血管移植物置換手術(shù)的成功率，成為手術(shù)失敗的主要根源。例如，以聚對苯二甲酸乙二醇酯(滌綸)和膨脹聚四氟乙烯(eptfe)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)合成移植物在臨床中非常成功地替代了大動(dòng)脈(＞6mm)。然而，此類不可降解合成人工血管移植物在小口徑(＜6mm)血管移植如冠狀動(dòng)脈的臨床應(yīng)用效果并不理想，主要原因有遠(yuǎn)期通暢率低、易形成血栓和栓塞以及內(nèi)膜增生嚴(yán)重。當(dāng)前，血管移植物適應(yīng)性欠佳的問題顯著加劇了患者的痛苦與經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

2、健康人的天然血管，以其獨(dú)特的三層結(jié)構(gòu)——內(nèi)膜、中膜與外膜，賦予了優(yōu)異的力學(xué)特性、血流動(dòng)力學(xué)效率及抗血栓能力。具體來說，外膜層膠原纖維的比例較高，因而具有較高的強(qiáng)度，可抑制生理壓力下的過度擴(kuò)張和破裂。中層主要由平滑肌細(xì)胞、膠原蛋白和彈性蛋白組成，能適應(yīng)生理壓力下血管的收縮和舒張。內(nèi)膜主要有內(nèi)皮細(xì)胞組成，在預(yù)防血栓形成中發(fā)揮重要作用。遺憾的是，市面上現(xiàn)有的血管移植物多為單層結(jié)構(gòu)，難以全面達(dá)到天然血管的綜合性能標(biāo)準(zhǔn)。鑒于此，研發(fā)一種具備高度順應(yīng)性、能夠模擬天然血管優(yōu)越適應(yīng)性的新型血管移植物，已成為患者與醫(yī)生迫切的期待。此外，如果內(nèi)皮細(xì)胞的生長微環(huán)境不理想，再生的內(nèi)皮細(xì)胞會(huì)逐漸脫落，從而導(dǎo)致血栓形成。中膜不僅能維持健康的內(nèi)皮，還能抑制血管狹窄。例如有研究表明平滑肌細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞之間的接觸依賴性通信可以促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的增殖；相反，受損的平滑肌細(xì)胞引發(fā)炎癥或其過度增殖引發(fā)再狹窄。由此可見，平滑肌的重建在血管再生過程中起著關(guān)鍵作用，加速自體平滑肌重建，有利于快速恢復(fù)順應(yīng)性，適應(yīng)血管脈動(dòng)，誘導(dǎo)自發(fā)內(nèi)皮化，最終保證其長期通暢。

3、人體組織中天然細(xì)胞外基質(zhì)膠原纖維的排列在維持組織力學(xué)和功能方面起著重要作用。在人體血管的三層結(jié)構(gòu)中，每層膠原纖維的不同取向可以調(diào)節(jié)血管的力學(xué)行為及細(xì)胞排列，而細(xì)胞排列在功能組織的成熟和再生中起著至關(guān)重要的作用。平滑肌層中的膠原纖維以65°的角度呈周向排列，平滑肌細(xì)胞也呈周向排列。值得注意的是，血管平滑肌細(xì)胞沿血管移植物圓周方向的定向生長，對于小直徑血管的再生至關(guān)重要，其特殊排列方式在天然血管成熟與再生過程中具有關(guān)鍵作用。因此，能夠引導(dǎo)平滑肌細(xì)胞周向排列的血管移植物可有效促進(jìn)血管再生。靜電紡絲是目前制造人工血管移植物的主流技術(shù)，然而由于微納米纖維的沉積導(dǎo)致孔徑較小，且纖維無序堆疊，血管移植物內(nèi)的細(xì)胞浸潤和組織再生受限，隨植入時(shí)間的延長，移植物內(nèi)部再生組織逐漸退化，血管壁鈣化，可最終導(dǎo)致移植物失效。目前，還沒有針對有效促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞再生而特定設(shè)計(jì)的血管移植物。

4、在應(yīng)用傳統(tǒng)人工合成血管移植物的時(shí)候，醫(yī)患雙方常面臨多重挑戰(zhàn)，包括血栓形成、力學(xué)性能不足、順應(yīng)性不匹配、材料不可降解性及顯著的內(nèi)膜增生問題?，F(xiàn)有的人工血管主要通過靜電紡絲技術(shù)生產(chǎn)，其微納米纖維的沉積易形成小孔徑和無序排列的纖維，限制了血管內(nèi)部細(xì)胞的浸潤與組織再生的能力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種三層結(jié)構(gòu)小口徑人工血管及其制備方法，解決當(dāng)前技術(shù)無法精確構(gòu)建利于血管內(nèi)皮細(xì)胞與血管平滑肌細(xì)胞再生的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而加速血管自然再生進(jìn)程的難題。

2、一種三層結(jié)構(gòu)小口徑人工血管，所述人工血管的管壁為3層，內(nèi)層為有序纖維層，中層為無序纖維層，外層為有序纖維層。

3、內(nèi)層和外層均為有序纖維層，而中層為無序纖維層，旨在模擬自然血管的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，提升人工血管的生物相容性和功能性。

4、本發(fā)明的三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別是內(nèi)層和外層的有序纖維層與中層無序纖維層的組合，能夠在一定程度上模擬血管復(fù)雜結(jié)構(gòu)。在人體組織中，天然細(xì)胞外基質(zhì)內(nèi)的膠原纖維排列對于維持組織力學(xué)特性及功能至關(guān)重要。具體到血管這一精細(xì)結(jié)構(gòu)，它由三層構(gòu)成，每層中膠原纖維的獨(dú)特排列方向精確調(diào)控著血管的力學(xué)行為及細(xì)胞分布模式。細(xì)胞的有序排列則是功能組織發(fā)育成熟與再生過程中的核心要素。

5、優(yōu)選的，所述人工血管的內(nèi)層纖維直徑3nm～30μm，中層纖維直徑3nm～30μm，外層纖維直徑3nm～30μm；內(nèi)、外層纖維間距5μm～300μm。

6、優(yōu)選的，所述人工血管的內(nèi)、外層有序纖維層纖維層數(shù)2～50層。

7、本發(fā)明嚴(yán)格控制了內(nèi)、外層纖維的直徑和間距，以及內(nèi)、外層有序纖維層的層數(shù)，確保了人工血管結(jié)構(gòu)的精確性和一致性；較小的纖維直徑、較小的孔徑和有序結(jié)構(gòu)有利于細(xì)胞的粘附和增殖。通過精確控制這些參數(shù)，可以確保人工血管在微觀層面上與天然血管具有相似的結(jié)構(gòu)和性能，從而更好地模擬其生理功能。一致性不僅有利于產(chǎn)品的質(zhì)量控制，還有助于提高其在臨床應(yīng)用中的可靠性和安全性。纖維的直徑、間距以及層數(shù)的精確控制，還有助于優(yōu)化人工血管的力學(xué)性能。通過調(diào)整這些參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對血管拉伸強(qiáng)度、彈性模量等關(guān)鍵性能指標(biāo)的精確調(diào)控。當(dāng)纖維的直徑、間距和層數(shù)得到優(yōu)化時(shí)，血管的表面形貌和化學(xué)性質(zhì)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而影響其與周圍組織的相互作用。通過減少不必要的粗糙度和非特異性吸附位點(diǎn)，可以降低炎癥反應(yīng)和排斥反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)血管與周圍組織的融合和修復(fù)。

8、優(yōu)選的，所述人工血管的內(nèi)層有序纖維層纖維具有特定的交叉角度：-20°～80°；所述人工血管的外層有序纖維層纖維具有特定的交叉或圓周取向分布角度：-20°～80°。

9、內(nèi)層和外層有序纖維層具有特定的交叉或圓周取向分布角度，旨在模擬自然血管的力學(xué)性能、血液流動(dòng)特性和生物學(xué)特性；人體組織內(nèi)，天然細(xì)胞外基質(zhì)中的膠原纖維排列對于維持組織的力學(xué)特性與功能具有關(guān)鍵作用。在血管這一復(fù)雜結(jié)構(gòu)中，其由三層構(gòu)成，每層中膠原纖維的特定排列方向能夠精細(xì)調(diào)控血管的力學(xué)響應(yīng)及細(xì)胞布局，而細(xì)胞的有序排列則是功能組織發(fā)育成熟與再生的核心要素。

10、優(yōu)選的，所述人工血管的內(nèi)層有序纖維層纖維的交叉角度為60°～70°，所述人工血管的外層有序纖維層纖維的交叉或圓周取向分布角度為60°～70°。

11、優(yōu)選的，所述人工血管的內(nèi)層有序纖維層纖維的交叉角度為65°，所述人工血管的外層有序纖維層纖維的交叉或圓周取向分布角度為65°。

12、優(yōu)選的，所述人工血管是生物可降解的，材料選自合成聚合物(例如聚乳酸、聚己內(nèi)酯、丙交酯-己內(nèi)酯共聚物、聚對二氧環(huán)己酮、丙交酯-乙交酯共聚物和聚氨酯等)，天然聚合物(例如殼聚糖、透明質(zhì)酸、海藻酸鹽、纖維素、淀粉、硫酸軟骨素、明膠、絲素蛋白、膠原蛋白、纖維蛋白、血清白蛋白和彈性蛋白等)或其組合。

13、本發(fā)明使用了包括合成聚合物(例如聚乳酸、聚己內(nèi)酯、丙交酯-己內(nèi)酯共聚物、聚對二氧環(huán)己酮、丙交酯-乙交酯共聚物和聚氨酯等)，天然聚合物(例如殼聚糖、透明質(zhì)酸、海藻酸鹽、纖維素、淀粉、硫酸軟骨素、明膠、絲素蛋白、膠原蛋白、纖維蛋白、血清白蛋白和彈性蛋白等)或其組合在內(nèi)的生物可降解材料，使得人工血管在完成其替代功能后能夠被機(jī)體逐漸吸收，減少長期異物反應(yīng)。

14、生物降解特性使得使用這些材料制成的人工血管在完成其作為血管替代物的功能后，能夠自然地融入機(jī)體環(huán)境，避免了傳統(tǒng)非降解材料可能引發(fā)的長期異物反應(yīng)。隨著材料的逐漸降解，人工血管與周圍組織的界面逐漸模糊，減少了異物刺激，從而降低了長期異物反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。生物可降解材料的選擇不僅提高了人工血管的安全性，還通過促進(jìn)血管再生等機(jī)制提高了其有效性。

15、所述人工血管可被表面修飾，修飾材料包括聚合物(例如聚丙烯腈、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚乙烯吡咯烷酮和聚苯乙烯等)，無機(jī)納米材料(例如二氧化硅、碳納米管、二氧化鈦、石墨烯和銀納米顆粒等)，生長因子(例如表皮生長因子、血管內(nèi)皮生長因子、血小板衍生生長因子、成纖維細(xì)胞生長因子、角質(zhì)形成細(xì)胞生長因子和胰島素樣生長因子等)和其他物質(zhì)(例如天然多酚、聚多巴胺、生物酶、表面活性劑、抗菌劑和硅烷偶聯(lián)劑等)。

16、所述人工血管可負(fù)載藥物或生物活性物質(zhì)，包括抗菌劑(如抗生素和抗菌肽等)、抗炎藥物(如糖皮質(zhì)激素和非甾體抗炎藥等)、鎮(zhèn)痛劑(如布洛芬和對乙酰氨基酚等)、抗病毒藥物(如阿昔洛韋和奧司他韋等)、抗腫瘤藥物(如紫杉醇和阿霉素等)、天然黃酮或多酚(如槲皮素和茶多酚等)、生長因子(如表皮生長因子和血管內(nèi)皮生長因子等)、抗氧化劑(如維生素c和維生素e等)、多肽或蛋白質(zhì)(如胰島素和生長激素等)和基因藥物(如dna和sirna等)等。

17、本發(fā)明提供一種三層結(jié)構(gòu)小口徑人工血管的制備方法：內(nèi)、外層制備方法為熔融近場直寫，中層制備方法為熔融近場直寫或靜電紡絲中的一種。

18、內(nèi)、外層有序纖維層采用熔融近場直寫技術(shù)制備保證了纖維的精確排列。近場直寫工藝所制備的微納纖維精確可控，該技術(shù)以其高精度、高分辨率和可控性強(qiáng)的特點(diǎn)，在微納制造領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力；精確排列的纖維結(jié)構(gòu)對于模擬天然血管的力學(xué)性能和生物功能至關(guān)重要。通過優(yōu)化纖維的排列方向和密度，可以調(diào)控血管的拉伸強(qiáng)度、彈性模量等關(guān)鍵參數(shù)，使其更加接近天然血管的性能。有序排列的纖維結(jié)構(gòu)還能為細(xì)胞提供適宜的附著和生長環(huán)境，促進(jìn)內(nèi)皮化等生物修復(fù)過程。

19、本發(fā)明中層無序纖維層可選擇熔融近場直寫或靜電紡絲技術(shù)制備，提供了靈活的工藝選擇，以適應(yīng)不同的性能需求；通過熔融近場直寫和靜電紡絲兩種制備技術(shù)，本發(fā)明使得生產(chǎn)者能夠根據(jù)不同的性能需求，靈活選擇最適合的制備工藝，從而優(yōu)化產(chǎn)品的整體性能。

20、優(yōu)選的，所述制備方法為一體成型或分別制備內(nèi)、中、外層結(jié)構(gòu)再進(jìn)行組裝熱合。

21、本發(fā)明提供了兩種制造工藝：一體成型和分別制備后組裝熱合；一體成型通過在同一過程中連續(xù)打印三層結(jié)構(gòu)，保證了層間的緊密結(jié)合；而分別制備后組裝熱合則提供了更多的加工靈活性和材料選擇空間。

22、一體成型增強(qiáng)了產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還提高了其耐用性和使用壽命，縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率。組裝熱合可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整各部分的尺寸、形狀和材料?？梢宰杂蛇x擇最適合各層需求的材料。

23、優(yōu)選的，所述一體成型包括以下步驟：在特定直徑的金屬接收桿上使用近場直寫3d打印技術(shù)打印內(nèi)層有序纖維層，再在內(nèi)層上使用近場直寫3d打印技術(shù)或靜電紡絲技術(shù)制備中層無序纖維層，最后在中層上使用近場直寫3d打印技術(shù)打印外層有序纖維層。

24、本發(fā)明利用近場直寫3d打印技術(shù)和靜電紡絲技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了小口徑人工血管復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精確構(gòu)建，展現(xiàn)了在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的先進(jìn)性和創(chuàng)新性。近場直寫技術(shù)以其高精度、高分辨率著稱，能夠精確控制材料的沉積位置和形狀，非常適合于制造具有精細(xì)特征的三維結(jié)構(gòu)。靜電紡絲纖維具有高比表面積、良好的柔韌性和生物相容性，非常適合用于模擬天然血管壁的微細(xì)結(jié)構(gòu)和功能。這種結(jié)構(gòu)不僅提高了人工血管的力學(xué)性能，還增強(qiáng)了其與生物組織的相容性，促進(jìn)了細(xì)胞的黏附和生長。

25、優(yōu)選的，所述分別制備內(nèi)、中、外層結(jié)構(gòu)再進(jìn)行組裝熱合的方法包括以下步驟：分別使用近場直寫3d打印技術(shù)打印內(nèi)、外層有序纖維層，使用近場直寫3d打印技術(shù)或靜電紡絲技術(shù)制備中層無序纖維層，再將三層結(jié)構(gòu)套接組合后進(jìn)行熱粘接處理。

26、本發(fā)明提供一種三層結(jié)構(gòu)的小口徑人工血管，內(nèi)、外兩層采用有序纖維層構(gòu)建，纖維以特定角度(如-20°至80°，優(yōu)選60°至70°，最佳為65°)有序堆疊，形成較大孔徑、高孔隙率的構(gòu)造，以促進(jìn)細(xì)胞浸潤與生長。中層則設(shè)計(jì)為無序纖維層，纖維無序沉積，形成較小孔徑與較低孔隙率，賦予血管良好的彈性與順應(yīng)性。

27、內(nèi)、外兩層有序纖維層的纖維交叉或圓周取向分布角度可獨(dú)立設(shè)定，既可選擇相同配置，亦可差異化設(shè)計(jì)，以適應(yīng)不同的生物力學(xué)需求。

28、本發(fā)明的血管材料選自合成聚合物(例如聚乳酸、聚己內(nèi)酯、丙交酯-己內(nèi)酯共聚物、聚對二氧環(huán)己酮、丙交酯-乙交酯共聚物和聚氨酯等)，天然聚合物(例如殼聚糖、透明質(zhì)酸、海藻酸鹽、纖維素、淀粉、硫酸軟骨素、明膠、絲素蛋白、膠原蛋白、纖維蛋白、血清白蛋白和彈性蛋白等)或其組合，確保了產(chǎn)品的生物相容性與降解可控性。

29、制備方法上，內(nèi)、外層有序纖維層通過熔融近場直寫技術(shù)精確成型，而中層無序纖維層則可選擇熔融近場直寫或靜電紡絲技術(shù)制備。構(gòu)建過程既可逐層順序進(jìn)行，亦可分別制備后整合組裝，即將內(nèi)、中、外三層纖維在精確控制下組合，并通過熱合技術(shù)加固連接。

30、該三層結(jié)構(gòu)小口徑血管的內(nèi)徑、各層厚度、纖維直徑及纖維間距均可根據(jù)臨床需求進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)與制造，從而實(shí)現(xiàn)降解時(shí)間的精確調(diào)控，滿足多樣化的臨床醫(yī)療應(yīng)用場景。

31、與現(xiàn)有技術(shù)相對比，本發(fā)明具有以下有益效果：

32、1.本發(fā)明提供的三層結(jié)構(gòu)小口徑人工血管，中層無序纖維層具有較細(xì)的纖維和較小的孔徑，且纖維直徑和纖維層孔徑可調(diào)，具有良好的彈性和順應(yīng)性。

33、2.本發(fā)明提供的三層結(jié)構(gòu)小口徑人工血管，內(nèi)、外兩層有序纖維層可實(shí)現(xiàn)纖維呈特定的角度有序堆疊，模擬人體血管膠原纖維的排列，并快速誘導(dǎo)內(nèi)皮化及平滑肌層的重建，從而有效促進(jìn)血管再生。

34、3.產(chǎn)品原材料為合成或天然可降解高分子聚合物，生物相容性良好，制備工藝簡單，無有機(jī)溶劑添加或僅使用少量有機(jī)溶劑。