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。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打印技術的發(fā)展，3D打印和組織工程技術用于人體氣管的修復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，將軟骨細胞與營養(yǎng)成分混合在一起培養(yǎng)，再用3D打印機塑造成氣管的形狀，構造出支架，然后研究人員在其上覆蓋軟骨細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植入以替代病變部分。2015年美國北岸-LIJ 醫(yī)療集團下屬Feinstein醫(yī)學研究所的研究人員在此方面獲得了新的突破。研究團隊改裝了一臺MakerBot Replicator 2X 3D打印機，讓其中的一個擠出機擠出PLA，而另外一個擠出機則擠出生物材料，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，就送入生物反應器內(nèi)保持細胞生長，因此細胞可以在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胞外基質(zhì)。團隊在孵化器內(nèi)用四周可制作出一個3D打印的氣管段。
圖1 Goldstein先生和MakerBot 3d打印機
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。長段氣管狹窄修補術是臨床上的一個棘手問題，環(huán)形切除病變行對端吻合術是以往氣管狹窄的主要治療方法，但目前的手術策略對于氣管狹窄的部位和長度有很大的局限性，因此用3D打印的方法修復整個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，中國上海的研究團隊在《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打印修復整個氣管段缺損方案的可行性。他們首先測量了新西蘭白兔天然氣管（圖 2A和B），設計出一個相同尺寸的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)加強支架，同時提供足夠的空間來覆蓋這些區(qū)域軟骨細胞。然后進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化學結構不會變化變化（圖2FGHI）。接著用種子軟骨細胞體外培養(yǎng)了3D打印支架，產(chǎn)生軟骨組織，在4周培養(yǎng)后軟骨細胞完全吞噬腳手架組裝與分泌細胞外基質(zhì)的細胞層（圖3）。在組織工程培養(yǎng)完成后，對兩組試驗兔進行了氣管置換手術，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調(diào)了動物模型修復氣管缺損的可能性。
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 細胞與軟骨細胞填充支架的過程
雖然現(xiàn)在的3D打印技術在氣管修復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打印技術將在醫(yī)學上的巨大應用前景。