作者:冯维维 来源:中国科学报 发布时间:2023/6/11 21:25:56
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人工速制 心脏瓣膜

 

美国和瑞士科学家开发出一种廉价方法,能在几分钟内制造出心脏瓣膜,这些瓣膜在植入绵羊体内后可立即发挥作用。相关研究近日发表于《物质》杂志。

据统计,全球现有心脏瓣膜病人1200万,每年都有近100万人因此离世。特别是患有心脏瓣膜疾病的儿童,通常需要进行心脏手术更换瓣膜。然而,现有心脏瓣膜置换术无法随着孩子的成长而成长,这就需要在患者的一生中重复这一高风险的手术。

肺心瓣膜由3个部分重叠的小叶组成,每次心跳时,它们都会打开和关闭。它们负责控制流经心脏的单向血流,每次心跳时,它们会完全打开,让血液向前流动,然后完全关闭,防止血液回流。

为了制造瓣膜,研究人员使用气流喷射将液体聚合物引导到瓣膜形状的框架上,从而形成微小纤维的无缝网络。这些瓣膜被设计成是暂时和可再生的:它们为细胞提供了一个多孔支架,让细胞浸润、扩展,并最终取代生物降解的聚合物。

“这个方法的两大优势是速度和空间保真度。”论文共同第一作者、哈佛大学和瑞士苏黎世大学生物物理学者Sarah Motta说,“我们可以在纳米尺度上制造非常小的纤维,模拟心脏瓣膜细胞用来生长的细胞外基质,并在几分钟内转出完整的瓣膜,而目前可用的技术可能需要几周或几个月时间。”

Motta将该方法称为“聚焦旋转喷射纺纱”,类似于“一个后面有吹风机的棉花糖机器”。虽然需要长期的体内研究来测试瓣膜的耐久性,但它们在绵羊体内有效地控制了一小时的血流量。

论文通讯作者、哈佛大学生物工程师Kit Parker说:“细胞在纳米尺度上生长,3D打印无法达到这个水平,但该新技术可以设置纳米尺度的空间支架,这样当细胞浸润到支架时,它们就会觉得自己在心脏瓣膜里,而不是在合成支架里。这其中有一定的技巧。”

研究小组使用脉冲复制器(一种模拟心跳的机器)测试了瓣膜的强度、弹性和反复开关的能力。

“一个正常的心脏瓣膜在人的一生中要进行数十亿次开关循环,所以它们会不断地被拉伸和刺激。”论文共同作者、哈佛大学研究者Michael Peters说,“它们需要非常有弹性,进而在这些机械刺激下保持形状,而且它们还必须足够强大,能够承受血液试图回流的背压。”

他员们还在瓣膜上培养了心脏细胞,以测试其生物相容性,并观察细胞能否很好地渗透到支架中。“瓣膜与血液直接接触,所以我们需要检查这种材料是否会造成血栓或血管阻塞。”Motta说。

研究人员在绵羊身上测试了该瓣膜的即时功能。绵羊是一个很好的动物模型,原因是绵羊和人类心脏内部的物理力量相似,此外,绵羊的心脏也代表了心脏瓣膜的“极端”环境,因为绵羊的钙代谢更快,这增加了钙沉积的风险,这是心脏瓣膜接受者的常见并发症。

外科医生将瓣膜植入两只羊体内,并在一小时内用超声波监测瓣膜的位置和功能。两个瓣膜都成功植入,并立即发挥作用,但一只羊的瓣膜在几分钟后就脱落了——研究人员认为,这是因为瓣膜的大小不适合动物。在第二只羊身上,瓣膜在一个小时内显示出良好的功能,尸检分析表明,没有出现撕裂或血栓形成的并发症,细胞已经开始渗透并黏附在瓣膜上。

接下来,该团队计划在更长的时间和更多的羊身上测试新瓣膜的性能。Peters说:“我们想看看我们的瓣膜在几周到几个月的时间里功能如何,以及绵羊的细胞和组织对支架的重塑多有效、多快。”

“开发一种能用于患者的药物是一个漫长的过程,而且应该是漫长的,在把某些东西植入人体之前,你必须在很多动物身上做实验。”Parker说。

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人工制作的心脏瓣膜的概念图。图片来自作者

相关论文信息:

 http://doi.org/10.1016/j.matt.2023.05.025

 
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