供稿人:周聖極，連芩 發(fā)布日期：2017-09-28
人類的氣管因腫瘤、氣管插管，鈍傷等容易受到損害，也因出現(xiàn)氣管變窄或各種缺陷而難以修復(fù)。然而目前臨床常用的重建受損器官的方法都有其局限性。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，3D打印和組織工程技術(shù)用于人體氣管的修復(fù)和更換提供了新的方案。
氣管組織工程的方法，首先從患者體內(nèi)取組織活檢，將軟骨細(xì)胞與營養(yǎng)成分混合在一起培養(yǎng)，再用3D打印機(jī)塑造成氣管的形狀，構(gòu)造出支架，然后研究人員在其上覆蓋軟骨細(xì)胞和膠原蛋白的混合物，使其長成軟骨，最后將此段通過手術(shù)植入以替代病變部分。2015年美國北岸-LIJ 醫(yī)療集團(tuán)下屬Feinstein醫(yī)學(xué)研究所的研究人員在此方面獲得了新的突破。研究團(tuán)隊(duì)改裝了一臺(tái)MakerBot Replicator 2X 3D打印機(jī)，讓其中的一個(gè)擠出機(jī)擠出PLA，而另外一個(gè)擠出機(jī)則擠出生物材料，在打印過程中被注入PLA支架的縫隙中，然后在MakerBot的熱床上固化成凝膠。一旦生物墨水粘附到支架上，就送入生物反應(yīng)器內(nèi)保持細(xì)胞生長，因此細(xì)胞可以在3D打印過程中存活，并能夠繼續(xù)分裂，并產(chǎn)生最終形成軟骨的細(xì)胞外基質(zhì)。團(tuán)隊(duì)在孵化器內(nèi)用四周可制作出一個(gè)3D打印的氣管段。
圖1 Goldstein先生和MakerBot 3d打印機(jī)
氣管狹窄是一種罕見但危及生命的疾病，是氣道梗阻引致氣急和呼吸困難。長段氣管狹窄修補(bǔ)術(shù)是臨床上的一個(gè)棘手問題，環(huán)形切除病變行對(duì)端吻合術(shù)是以往氣管狹窄的主要治療方法，但目前的手術(shù)策略對(duì)于氣管狹窄的部位和長度有很大的局限性，因此用3D打印的方法修復(fù)整個(gè)氣管段缺損是解決這一臨床需求的一種很有前途的方法。2017年5月，中國上海的研究團(tuán)隊(duì)在《nature》雜志上發(fā)表了一篇名為《Tissue-engineered trachea from a 3D-printed scaffold enhances whole-segment tracheal repair》的論文[1]，論證3D打印修復(fù)整個(gè)氣管段缺損方案的可行性。他們首先測(cè)量了新西蘭白兔天然氣管（圖 2A和B），設(shè)計(jì)出一個(gè)相同尺寸的PCL支架（圖2CDE）。支架內(nèi)層由垂直和水平的PCL橫桿組成，作為支撐系統(tǒng)加強(qiáng)支架，同時(shí)提供足夠的空間來覆蓋這些區(qū)域軟骨細(xì)胞。然后進(jìn)行了傅立葉變換紅外光譜（FT-IR）分析，確定在3D打印過程中PCL化學(xué)結(jié)構(gòu)不會(huì)變化變化（圖2FGHI）。接著用種子軟骨細(xì)胞體外培養(yǎng)了3D打印支架，產(chǎn)生軟骨組織，在4周培養(yǎng)后軟骨細(xì)胞完全吞噬腳手架組裝與分泌細(xì)胞外基質(zhì)的細(xì)胞層（圖3）。在組織工程培養(yǎng)完成后，對(duì)兩組試驗(yàn)兔進(jìn)行了氣管置換手術(shù)，切除一段天然氣管，植入打印氣管，發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)出良好的生物相容性。該結(jié)果表明3D打印方法是制造組織工程支架的一種可靠、高效的方法。這次研究也是首次強(qiáng)調(diào)了動(dòng)物模型修復(fù)氣管缺損的可能性。
圖2 PCL支架建造過程（A）白兔天然氣管長度；（B）白兔天然氣管寬度；（C）PCL支架的建模；（D）PCL支架的長度；（E）PCL支架的寬度；（F）（G）紅外光譜（FT-IR）分析；（H）（I）徑向壓縮力變形分析。
圖3 細(xì)胞與軟骨細(xì)胞填充支架的過程
雖然現(xiàn)在的3D打印技術(shù)在氣管修復(fù)方面的研究才剛剛起步，但在短短的幾年內(nèi)就取得了巨大的成果，也顯示出3D打印技術(shù)將在醫(yī)學(xué)上的巨大應(yīng)用前景。