供稿人：李紅艷、連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2024-01-13
腫瘤、外傷和先天性疾病等均可導(dǎo)致氣管狹窄的發(fā)生。作為人體氣體交換的唯一通道，氣管阻塞可能隨時(shí)奪去患者生命。目前，長段氣管狹窄患者無法手術(shù)，只能保守治療短暫延長生命，臨床亟需可移植的活性氣管。
同濟(jì)大學(xué)附屬上海市肺科醫(yī)院陳昶教授團(tuán)隊(duì)和浙江大學(xué)賀永教授團(tuán)隊(duì)，使用高精度3D打印技術(shù)構(gòu)建了一種能同時(shí)實(shí)現(xiàn)天然氣管的解剖結(jié)構(gòu)和生物功能的活性氣管，并形成益于再生的免疫微環(huán)境，在兔氣管缺損模型的修復(fù)中展示出較高的臨床潛力。
該研究用臨床許可的可降解材料聚己內(nèi)酯（PCL）為支架原料，使用熔融靜電紡絲技術(shù)（MEW）（圖1A），通過優(yōu)化支架內(nèi)部網(wǎng)格排列形式(圖1B)和孔隙大小等參數(shù)，制備了適合活性氣管構(gòu)建的超細(xì)纖維支架。在超細(xì)纖維支架上接種兔軟骨細(xì)胞，進(jìn)行體外軟骨誘導(dǎo)培養(yǎng)，形成氣管替代物構(gòu)建的基本模塊：纖維-軟骨環(huán)（圖1C）。支架中的超細(xì)纖維排列與天然軟骨中的膠原分布近似。當(dāng)纖維精度接近細(xì)胞尺寸時(shí)，其可有效影響軟骨細(xì)胞分泌的基質(zhì)蛋白的沉積模式，形成在偏光下呈現(xiàn)多色網(wǎng)格狀的仿生膠原網(wǎng)絡(luò)。在此基礎(chǔ)上，有序排列的超細(xì)纖維與軟骨基質(zhì)蛋白聯(lián)合，形成近似“鋼筋-混凝土”的復(fù)合體，產(chǎn)生顯著的力學(xué)協(xié)同增強(qiáng)作用，進(jìn)一步提升軟骨的機(jī)械性。結(jié)果表明，纖維-軟骨環(huán)具備近似天然軟骨的力學(xué)性能。
然后由PCL超細(xì)纖維網(wǎng)絡(luò)和甲基丙烯酰胺明膠（GelMA）制備另一基本模塊—纖維-凝膠環(huán)，有助于促進(jìn)透壁血管快速生成和調(diào)節(jié)免疫發(fā)育微環(huán)境。纖維-軟骨環(huán)與纖維-凝膠環(huán)交替堆疊在硅膠管上。這種氣管樣結(jié)構(gòu)在異位移植到兔子體內(nèi)4周后經(jīng)歷了血管化。在切除一段氣管后，通過端到端吻合將血管化的生物工程氣管樣結(jié)構(gòu)原位移植到本地兔氣管上。生物工程化氣管顯示出類似于本地兔氣管的機(jī)械性能，環(huán)之間有透壁血管生成。移植兔的8周存活率為83.3%，呼吸頻率與術(shù)前水平相似。這種生物工程化氣管具有治療氣管狹窄以及氣管損傷的潛力。
圖1 (A)MEW設(shè)備；(B)不同孔隙支架；（C）纖維-軟骨環(huán)