利用基于組織特異性基質(zhì)水凝膠的3D打印C形仿生氣管進行即時氣管重建

來源： 生物納米材料前沿

目前，3D生物打印技術(shù)已成為一種有前景的策略，可為分段氣管重建提供類天然氣管替代品。然而，由于缺乏理想的生物墨水、對精確結(jié)構(gòu)仿生的要求以及肌內(nèi)預(yù)植入多步驟手術(shù)程序的復(fù)雜性，使用3D生物打印仿生氣管進行氣管修復(fù)的突破非常有限。在此，本文提出了一種一步式手術(shù)技術(shù)，即使用C形3D生物打印仿生氣管進行直接端對端吻合，用于修復(fù)節(jié)段性氣管缺損。首先，利用兩種類型的組織特異性基質(zhì)水凝膠來分別提供有利于軟骨和纖維組織特定生長方式的機械和生物微環(huán)境。與我們之前的 O 形氣管設(shè)計相反，交替的 C 形軟骨環(huán)和連接血管纖維組織環(huán)的管狀結(jié)構(gòu)經(jīng)過精心設(shè)計，可通過最佳打印路徑和模型對氣管結(jié)構(gòu)進行快速 3D 生物打印。此外，裸鼠體內(nèi)氣管再生顯示出令人滿意的機械適應(yīng)性和高效的生理再生。最后，利用3D生物打印的C形仿生氣管，成功實現(xiàn)了家兔直接端端吻合的原位節(jié)段氣管重建。這項研究展示了先進的 3D 生物打印在即時有效修復(fù)節(jié)段性氣管缺陷方面的潛力。

本文亮點
1. 采用組合光交聯(lián)策略簡便制備了適用于軟骨和纖維組織再生的組織特異性基質(zhì)水凝膠。軟骨特異性水凝膠具有較高的機械強度和良好的軟骨誘導(dǎo)作用,而纖維組織特異性水凝膠則具有較低的機械強度和纖維誘導(dǎo)作用。

2. 通過優(yōu)化打印路徑和3D模型,快速打印出交替的C形軟骨環(huán)和連接的血管化纖維組織環(huán)的管狀結(jié)構(gòu),從而實現(xiàn)對原生氣管生理結(jié)構(gòu)和功能的精確模擬。

3. 通過皮下植入實驗驗證了3D打印的C形人工氣管能夠?qū)崿F(xiàn)機械適應(yīng)性良好且生理功能再生高效的氣管重建。

4. 通過直接端端吻合手術(shù)成功實現(xiàn)了原位氣管缺損的快速修復(fù),避免了傳統(tǒng)的兩步手術(shù),即肌肉前埋植后再血管蒂移植的繁瑣過程。

5. 本研究證明了3D生物打印技術(shù)構(gòu)建C形生物模擬氣管的可行性,為氣管段性缺損的臨床治療提供了一種新的有前景的替代策略。

圖文參考

圖1.使用基于組織特異性基質(zhì)水凝膠的 3D 生物打印 C 形軟骨血管化纖維組織集成氣管進行即時氣管重建的示意圖。

圖2. 可光交聯(lián)基質(zhì)水凝膠的表征。

圖 3. 各向異性結(jié)構(gòu)設(shè)計分析。

圖 4. 組織特異性基質(zhì)水凝膠的生物學(xué)評價。

圖5. 3D 生物打印仿生 CVFIT 的表征。

圖6. 3D 生物打印 CVFIT 裸鼠體內(nèi)皮下植入。

圖7. 裸鼠再生氣管的組織學(xué)檢查。

圖8. 通過直接端端吻合術(shù)對家兔進行即時節(jié)段氣管修復(fù)。

總結(jié)
本文提出并驗證了使用3D生物打印技術(shù)構(gòu)建C形生物模擬氣管進行氣管段性缺損直接端端吻合修復(fù)的新策略。研究結(jié)果表明,采用組織特異性水凝膠作為生物墨水,可以快速打印出模擬原生氣管生理結(jié)構(gòu)的C形氣管-血管化纖維組織一體化構(gòu)建。該C形構(gòu)建物在裸鼠體內(nèi)植入后,實現(xiàn)了機械適應(yīng)性良好且生理功能高效再生的氣管組織。更重要的是,在兔模型中成功應(yīng)用3D打印C形氣管進行直接端端吻合手術(shù),避免了傳統(tǒng)兩步手術(shù)的繁瑣過程,實現(xiàn)了氣管段性缺損的快速修復(fù)。本研究為3D生物打印技術(shù)在氣管重建方面的應(yīng)用提供了可行的新策略,有望成為氣管段性缺損臨床治療的一個有前景的替代方案。但是,翻譯到臨床應(yīng)用還面臨一些挑戰(zhàn),如預(yù)先上皮化的設(shè)計、減少端端吻合手術(shù)中氣管重疊的問題等,需要進一步在大動物模型中驗證其長期穩(wěn)定性和安全性。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2023.09.011