生物3D打印C形软骨-纤维交替仿生气管即刻修复节段性气管缺损
时间:2023-11-29 09:12 来源:数字医学与生物3D打印 作者:admin 点击:次
| 近期，上海交通大学医学院附属第九人民医院华宇杰、周广东教授和上海交通大学医学院附属上海市同仁医院王晓云主任在科爱创办的期刊Bioactive
Materials上联合发表研究论文：针对气管仿生结构设计与功能重建需求，研究者分别制备了适配软骨、纤维再生的基质微环境仿生水凝胶（后称“基质胶”）作为组织特异性生物墨水，通过生物3D打印技术构建C形软骨-纤维交替仿生气管，并采用一步式端端吻合修复术成功实现了节段性气管缺损修复与功能重建，从而摒弃了传统的“气管旁肌肉预埋植+带蒂移植端端吻合”的两步式修复术。 节段性气管缺损修复与功能重建是临床重大挑战。目前，含细胞生物3D打印技术作为一种构建具有异质结构工程化组织或器官的新策略，有望提供生理结构仿生且功能健全的气管移植物。前期研究中，该团队设计并制备了光交联脱细胞基质水凝胶以提供适配软骨/纤维特异性微环境，并结合生物3D打印技术成功实现了O形软骨-纤维交替仿生气管（CVFIT），进一步通过“气管旁肌肉预埋植+带蒂移植端端吻合”两步式修复术实现了节段性气管缺损修复与功能重建（Adv. Sci. 2022, 2202181）。但是，目前仍然在复杂生物墨水设计、C形气管结构精准仿生、多步修复手术模式等方面制约着生物3D打印仿生气管的临床转化。基于此，研究者提出了一种运用生物3D打印C形仿生气管直接端端吻合原位修复节段性气管缺损的新策略（如示意图所示）。 
示意图 基于组织特异性基质胶的生物3D打印C形软骨-纤维交替仿生气管即刻修复节段性气管缺损的示意图
一、光交联基质胶的理化性能表征 研究者选用具有光交联特性的天然高分子材料作为组织特异性生物墨水的基本成分，即选用可打印性的甲基丙烯酰化明胶（GM) 和软骨组织来源的甲基丙烯酰化硫酸软骨素（CM）制备软骨特异性基质胶（GC-gel）；选用GM和纤维组织来源的甲基丙烯酰化弹性蛋白（EM）制备纤维特异性基质胶（GE-gel）。如图1所示，GC-gel和GE-gel基质胶具有较快的光交联速度（GC-gel：3.4±0.2 s；GE-gel：9.1±0.4 s）、差异化的剪切模量（GC-gel：3.9±0.3 KPa；GE-gel：0.7±0.05 KPa），以及合适的溶胀率和酶降解特性，能够满足组织再生支架材料的基本要求。 
图1 光交联基质胶的理化性能表征
二、各向异性气管仿生结构设计 为了精准模拟气管硬-软组织交替结构，研究者精心设计了两种不同力学强度的基质胶。如图2所示，在柔软的GM网络中引入高交联密度的CM网络，能够显著提高压缩模量（从8.0±0.1 KPa提高到31.2±0.8 KPa）；而引入低交联密度的EM网络，则略微降低压缩模量（6.8±0.3 KPa）。接着，O形和C形气管模型有限元分析表明：贯通的C形结构设计有效增强了VF环和C-C环之间的一体化整合。另外，C形管状结构不仅可以通过刚性软骨环承受平行于C形位置的机械应力；而且由于刚性软骨区域之间存在柔性间隙，C形管状结构可以有效耗散垂直于C形位置的机械应力。以上结果表明，采用GC-gel基质胶作为CVFIT的刚性部分，GE-gel基质胶作为CVFIT的柔性部分，能够实现硬-软组织交替结构、以及适应各向异性力学环境的仿生气管构建。 
图2 各向异性气管仿生结构设计与有限元分析
三、生物3D打印仿生气管的表征 组织特异性生物墨水的可打印性是生物3D打印仿生气管的基本要求。如图3所示，研究者首先证明GC-gel和GE-gel基质胶具有固有的挤出成型能力，并优化了生物3D打印技术参数（如打印压力、打印速度）。接着，通过双喷头交替式生物3D打印技术分别构建了O形和C形CVFIT仿生气管。实验结构表明，荧光标记的软骨细胞（红色）和成纤维细胞（绿色）呈现交替分布于C形管状结构中，从而证实基于组织特异性生物墨水的生物3D打印技术能够实现含多种细胞的异质结构构建。 
图3 生物3D打印仿生气管构建与结构表征
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