供稿人：李紅艷、連芩 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2024-01-13
腫瘤、外傷和先天性疾病等均可導致氣管狹窄的發(fā)生。作為人體氣體交換的唯一通道，氣管阻塞可能隨時奪去患者生命。目前，長段氣管狹窄患者無法手術，只能保守治療短暫延長生命，臨床亟需可移植的活性氣管。
同濟大學附屬上海市肺科醫(yī)院陳昶教授團隊和浙江大學賀永教授團隊，使用高精度3D打印技術構建了一種能同時實現(xiàn)天然氣管的解剖結構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（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建的超細纖維支架。在超細纖維支架上接種兔軟骨細胞，進行體外軟骨誘導培養(yǎng)，形成氣管替代物構建的基本模塊：纖維-軟骨環(huán)（圖1C）。支架中的超細纖維排列與天然軟骨中的膠原分布近似。當纖維精度接近細胞尺寸時，其可有效影響軟骨細胞分泌的基質(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。在此基礎上，有序排列的超細纖維與軟骨基質(zhì)蛋白聯(lián)合，形成近似“鋼筋-混凝土”的復合體，產(chǎn)生顯著的力學協(xié)同增強作用，進一步提升軟骨的機械性。結果表明，纖維-軟骨環(huán)具備近似天然軟骨的力學性能。
然后由PCL超細纖維網(wǎng)絡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。這種氣管樣結構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構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設備；(B)不同孔隙支架；（C）纖維-軟骨環(huán)