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(jìn)行即時(shí)氣管重建

來(lái)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(duì)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(jìn)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(jìn)行直接端對(duì)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(lái)分別提供有利于軟骨和纖維組織特定生長(zhǎng)方式的機(jī)械和生物微環(huán)境。與我們之前的 O 形氣管設(shè)計(jì)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(guò)精心設(shè)計(jì)，可通過(guò)最佳打印路徑和模型對(duì)氣管結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jī)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(shí)現(xiàn)了家兔直接端端吻合的原位節(jié)段氣管重建。這項(xiàng)研究展示了先進(jìn)的 3D 生物打印在即時(shí)有效修復(fù)節(jié)段性氣管缺陷方面的潛力。

本文亮點(diǎn)
1. 采用組合光交聯(lián)策略簡(jiǎn)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(jī)械強(qiáng)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(jī)械強(qiáng)度和纖維誘導(dǎo)作用。

2. 通過(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)原生氣管生理結(jié)構(gòu)和功能的精確模擬。

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

4. 通過(guò)直接端端吻合手術(shù)成功實(shí)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(guò)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(jìn)行即時(shí)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(jì)分析。

圖 4. 組織特異性基質(zhì)水凝膠的生物學(xué)評(píng)價(jià)。

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(guò)直接端端吻合術(shù)對(duì)家兔進(jìn)行即時(shí)節(jié)段氣管修復(fù)。

總結(jié)
本文提出并驗(yàn)證了使用3D生物打印技術(shù)構(gòu)建C形生物模擬氣管進(jìn)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(shí)現(xiàn)了機(jī)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(jìn)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(guò)程,實(shí)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(gè)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(jì)、減少端端吻合手術(shù)中氣管重疊的問(wèn)題等,需要進(jìn)一步在大動(dòng)物模型中驗(yàn)證其長(zhǎng)期穩(wěn)定性和安全性。

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