生物支架可修复心脏缺损，重现原生心肌力学的能力

2022-06-03 10:33:28  信息编号：K217988  浏览次数：66

尽管心血管疾病 (CVD) 的治疗取得了重大进展，但心力衰竭 (HF) 仍然是全世界**的主要原因。功能性心肌细胞 (CM) 的丧失是 CVD 进展的主要原因。在患病心脏上手术植入细胞化贴片是通过收缩组织再生来重新设计心脏功能并减少受损组织对心脏寿命和功能的影响的主要策略之一。

组织支架可用于概括患病心脏中天然心脏的结构和机械环境，以促进工程心肌功能和收缩性。PCL 支架可以模仿天然心脏的结构和力学。

这些支架因其简单的制造、可生物降解性和理想的生物相容性、化学和机械性能而被研究用于心肌再生。因此，PCL 支架适用于在受伤或疾病后对心脏功能进行再造和再生。

研究人员重点关注了 PCL 作为组织支架的应用，特别是在心肌再生和修复中的应用，以及这种基于 PCL 技术的临床转化路线图。

PCL 支架重现原生心肌力学的能力

在设计工程心脏组织作为心脏病/损伤后的再生疗法时，必须考虑支架承受重复性和高机械负荷的能力以及结构的各向异性和弹性。PCL 是一种机械强度高的聚合物，杨氏模量 (YM) 为 330-360 MPa，拉伸强度在 25 至 43 MPa 之间。

尽管 PCL 由于其高 YM 不被认为是适合于心肌等软组织的机械支架，但开发新策略以使 PCL 更适合心脏壁植入已显着增加了聚合物在心脏应用中的潜力。

在心脏组织中，PCL 通常以纤维支架的形式应用，为细胞增殖和浸润留下显着的空间，导致横截面积增加而不增加机械加固，与本体聚合物相比，这大大降低了许多支架的 YM . 此外，水凝胶通常用于改善细胞增殖并嵌入这些支架，这进一步降低了它们的 YM。

PCL 支架生物制造方法

可生物降解的聚合物在两到三年内完全降解。然而，PCL 支架的机械性能退化，如 YM，发生在最初几个月内。体外研究表明，由于水解降解，YM 在四个月和两个月内分别下降了 60% 和 40%。

PCL易溶于氯仿、丙酮等有机溶剂，熔点低。因此，PCL 的物理特性可以使用大规模的生物制造工艺进行修改。湿纺、三维 (3D) 打印和静电纺丝方法可用于改变 PCL 的性质和几何形状。

静电纺丝工艺是最常见的 PCL 支架制造技术。在这个过程中，PCL 纤维的直径可以通过改变湿度和温度、弯曲聚合物的存在、施加的电压和溶液浓度来改变。由于其易于纤维生产和参数适应性，静电纺丝被广泛用于制造纳米级PCL纤维。

3D 打印是一种较新的 PCL 支架制造方法。通过计算机辅助设计，该方法可以精确控制制造的 PCL 支架的 3D 组成和结构。

尽管湿法纺丝通常用于生物纤维的制备，但该方法，特别是其亚型重力纺丝，在聚合物纤维的制备中受到了关注。由于环境条件而导致的不一致风险较低是湿纺相对于静电纺丝方法的主要优势。然而，通过这种方法生产的 PCL 纤维直径较大，会延长降解时间并影响细胞浸润。

物理和化学改性影响 PCL 性能

批量修饰可导致整个 PCL 支架发生化学变化。这些修饰可用于促进细胞浸润、调节力学和增强支架的导电性。碳纳米管和丝素蛋白通常用作混合材料，通过本体改性来改变 PCL 力学。

此外，PCL 可用于复合系统，例如分层支架。例如，未混合的 PCL 可以嵌入水凝胶中以制造复合支架。添加水凝胶可以降低 PCL 纤维中的高 YM 值，使其更接近健康的天然心肌值，而不会降低 PCL 纤维的强度。

通过改变表面属性（例如表面孔隙率、能量和电荷）对 PCL 支架表面进行表面功能化和修饰，可以增强细胞增殖和粘附。

PCL 支架可以调节生物相互作用

在心脏组织中，CM 排列对心肌组织的力产生能力至关重要。CM 成熟、整体功能和对齐是成功心肌支架的三个决定性指标。

将 PCL 与对齐的导电聚合物混合可以在 PCL 支架内产生电各向异性。该方法可以改善成熟CM标志物和人诱导多能干细胞衍生CM（hiPSC-CM）信号的表达。

PCL 是非免疫原性的，因为 PCL 植入显示体内很少或没有炎症。不同的体内研究证实，PCL 植入不会产生炎症反应。

此外，在一项研究中观察到当明胶鞘包裹在纤维状 PCL 周围时，炎症细胞因子的产生显着减少，例如转化生长因子-β-1 (TGF-β1) 和白细胞介素 6 (IL-6)核。

PCL 在心脏组织工程 (CTE) 中的当前进展

CM附着是CTE领域体外使用的PCL支架的首要考虑因素。几种方法，例如化学修饰和批量修饰，被用来促进 CM 对 PCL 支架的化学附着和浸润。用氢氧化钠进行化学修饰显着提高了 PCL 支架的亲水性，从而导致更大的 CM 附着。

同样，使用多种技术降低 PCL 的机械刚度，例如创建复合和混合支架或调节 PCL 生物制造技术。例如，通过使用选择性激光烧结技术制造多孔 PCL 支架，成功降低了 PCL 支架的 YM。

使用更复杂的技术调整 PCL 支架的机械和结构各向异性。例如，平行、90 度、 60度和 30度电纺 PCL 纤维被设计用于调整 PCL 支架的各向异性。

体内测试 PCL 支架以评估心脏功能

在一项研究中，间充质干细胞 (MSC) 种子聚（丙交酯-co-ε-己内酯）支架被用于啮齿动物心肌梗塞的冷冻损伤模型。研究结果表明，与盐水注射对照组相比，植入组的梗**面积减少，左心室射血分数显着增加。

心脏磁共振成像 (MRI) 已成为一种多功能、无创和准确的方法，用于体内研究心脏功能和结构，以评估基于 PCL 的疗法的有效性。

基于 PCL 的再生治疗在心脏工程中的临床转化

为了在心脏工程中实现基于 PCL 的再生疗法的临床转化，有必要基于能够针对成功心脏组织支架的几个要求的综合设计进行研究。

设计必须侧重于确保宿主心肌和工程组织之间的机电整合，促进天然和工程组织的血管化，为天然和工程组织提供机械加固，并促进细胞功能和附着。

结论

总而言之，PCL 因其多功能性、生物降解性和机械强度而在心脏工程中具有巨大潜力。未来，PCL 可用于体外建模、药物输送和工程心脏组织成熟，并可在疾病/损伤后为心脏提供各向异性支持。然而，在开发细胞化临床治疗心力衰竭之前，需要更多的研究来克服某些挑战，例如组织血管化和 CM 不成熟。