武汉纺织大学《Nature Communications》:仿生肌样芯鞘复合纱线小口径人工血管支架

心血管疾病长期居于全球致死疾病首位，临床小口径血管移植存在明显技术瓶颈，自体血管供源有限且会造成二次手术创伤，商用膨体聚四氟乙烯、纯 PET 人工血管在 6mm 以下小口径移植场景极易出现急性血栓、内膜增生、内皮化不全等移植失效问题。组织工程血管通过仿生支架复刻天然细胞外基质微结构，诱导宿主细胞原位再生血管组织，能够规避供体短缺与免疫排斥难题，原位组织诱导是极具临床转化潜力的制备路线，该方法将可降解支架皮下植入动物体内，利用机体自身修复机制诱导细胞浸润、胞外基质沉积，后续脱细胞处理即可获得富含原生活性基质的生物血管，省去体外细胞培养复杂流程，同时天然基质可加速植入体内内皮覆盖。但现有支架材料难以同步满足力学支撑与生物活性双重需求，PGA 聚乙醇酸细胞亲和性优异、降解可控，但力学强度低、降解速度过快；PET 涤纶力学持久稳定，但表面生物惰性强，不利于细胞粘附与组织长入。从纺织纤维微观结构角度，长丝表面光滑比表面积小，短纤交错堆叠可形成高孔隙三维网络，大幅提升细胞附着位点，改善营养交换与细胞迁移能力。天然骨骼肌具备肌原纤维 — 肌纤维 — 肌束多级分层有序结构，分层结构兼顾力学传递与细胞承载，为本研究仿生支架设计提供新思路。

武汉纺织大学杨红军教授团队模仿骨骼肌层级结构，以 PET 复丝作为人工肌原纤维芯层提供长效力学骨架，摩擦纺工艺将 PGA 短纤螺旋包覆于芯外形成鞘层，构筑肌样芯鞘复合纱，经针织成型管状支架，皮下植入兔体内原位诱导组织生长，脱细胞后得到胞外基质富集的生物血管，通过兔体外表征、犬颈动脉置换大动物实验完整验证材料再生能力。相关成果以“A Muscle-Mimetic Core-Sheath Composite Yarn Scaffold for In-Body Tissue Induction and Regeneration of Small-Diameter Vascular Grafts”发表在《Advanced Healthcare Materials》期刊上。

实验首先制备 PGA 纺粘无纺布，经熔融纺丝、成网热压得到三维多孔纤维网络，纤维平均直径 19.16±3.15 μm，纤维形貌均匀可控。将无纺布裁切为短纤并梳理成 PGA 条子，以 PET 复丝为芯，调节 PGA 条子 0.2、0.3、0.4 m/min 三种喂入速度，制备 CY-0.2、CY-0.3、CY-0.4 三种梯度组分复合纱。微观表征可见 PGA 短纤均匀螺旋包覆 PET 芯丝，成功复刻肌肉纤维层级结构。随 PGA 占比提升，纱线线密度从 93.4 tex 升至 230 tex，断裂强力、伸长率与条干均匀度同步提升，但纱线毛羽随之增加；热重分析显示复合纱热分解区间介于纯 PGA 与 PET 之间，PGA 含量越高初始热失重温度越低，芯鞘结构实现高强骨架与生物活性表层的优势结合。

图1 肌样芯鞘复合纱组织工程血管完整制备流程示意图

将三种复合纱纬编为管状坯体，套于 6 mm 不锈钢芯模热定型后得到 TF-0.2、TF-0.3、TF-0.4 管状织物。体外 35 天 PBS 降解实验表明，样品失重速率与 PGA 含量正相关，前 15 天 PGA 无定形区快速水解，失重明显，后期降解放缓；高 PGA 含量的 TF-0.4 降解过快，35 天后结构破损，TF-0.2 降解速率适中，可长期维持管状完整形态。轴向、径向拉伸与 50 次循环疲劳测试证明织物具备良好弹性与抗疲劳能力，可适配血管周期性搏动力学环境。采用 L929 成纤维细胞评估细胞相容性，活死染色可见绝大多数细胞存活，CCK-8 检测显示 1、3、5 天各组细胞活力均超 80%，符合生物材料无毒标准，仅 TF-0.4 第 3 天因降解产物轻微抑制增殖，5 天后恢复正常，证实管状织物生物安全性良好。

图2 PGA 无纺布与复合纱形貌、物理性能表征

将管状支架搭配复合支撑芯模植入新西兰白兔皮下诱导 4 周，宿主细胞大量浸润支架并分泌胶原等胞外基质，采用含表面活性剂与核酸酶的多步流程脱细胞，去除细胞成分并保留完整胞外基质，得到 DBT-0.2、DBT-0.3、DBT-0.4 脱细胞生物管。对比三组样品，DBT-0.2 因 PET 骨架占比更高，径向力学强度最优，脱细胞后管状形态完整，内外表面覆盖连续天然胞外基质。体外凝血实验结果显示，DBT 可显著延长 APTT、PT、TT 凝血时间，降低血浆纤维蛋白原浓度，能同时抑制内外源凝血通路，具备优异抗血栓性能；人脐静脉内皮细胞培养实验证明脱细胞基质可有效促进内皮细胞黏附增殖，适配血管内皮化需求。

图3 管状支架降解、循环力学与细胞相容性测试

图4 脱细胞生物血管形貌与径向力学性能

选取健康比格犬构建颈动脉置换模型，植入 DBT-0.2 移植物，术后饲养 1 个月。多普勒超声检测显示移植物管腔完全通畅，血流连续均匀，血流波形与天然颈动脉无明显差异，未出现湍流、血栓堵塞等问题。动物处死后取材进行组织学染色，H&E 切片可见移植物管壁结构完整，无管腔血栓，宿主细胞由外至内大量浸润支架孔隙；马松三色染色显示管壁沉积大量新生胶原，形成成熟胞外基质网络。免疫荧光染色结果显示，管腔表面及管壁内部出现内皮标志物 CD31 和平滑肌标志物 α-SMA 阳性表达，证明支架成功诱导内皮细胞附着、平滑肌细胞分化，逐步重建血管分层结构。

图5 脱细胞血管基质染色、内皮细胞活性与体外凝血指标

图6 犬颈动脉移植通畅性与组织再生染色

本研究证实这套仿肌肉芯鞘复合纱联合皮下原位诱导的策略可实现时序协同血管再生：PET 芯层提供长期稳定力学支撑，PGA 鞘层随植入时间逐步降解，为细胞浸润、基质重塑预留空间；皮下诱导生成的天然胞外基质进一步改善移植物抗凝能力与细胞亲和性。但该研究仅完成 1 个月短期大动物实验，短期通畅与再生效果得到验证，仍缺少 3–6 个月长期植入数据，后续需要延长动物观察周期，评估移植物长期力学稳定性、组织重塑进程与远期通畅率，持续优化材料配比与制备工艺，推动该仿生血管支架向临床转化。