供稿人：李红艳、连芩 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2024-01-13
肿瘤、外伤和先天性疾病等均可导致气管狭窄的发生。作为人体气体交换的唯一通道，气管阻塞可能随时夺去患者生命。目前，长段气管狭窄患者无法手术，只能保守治疗短暂延长生命，临床亟需可移植的活性气管。
同济大学附属上海市肺科医院陈昶教授团队和浙江大学贺永教授团队，使用高精度3D打印技术构建了一种能同时实现天然气管的解剖结构和生物功能的活性气管，并形成益于再生的免疫微环境，在兔气管缺损模型的修复中展示出较高的临床潜力。
该研究用临床许可的可降解材料聚己内酯（PCL）为支架原料，使用熔融静电纺丝技术（MEW）（图1A），通过优化支架内部网格排列形式(图1B)和孔隙大小等参数，制备了适合活性气管构建的超细纤维支架。在超细纤维支架上接种兔软骨细胞，进行体外软骨诱导培养，形成气管替代物构建的基本模块：纤维-软骨环（图1C）。支架中的超细纤维排列与天然软骨中的胶原分布近似。当纤维精度接近细胞尺寸时，其可有效影响软骨细胞分泌的基质蛋白的沉积模式，形成在偏光下呈现多色网格状的仿生胶原网络。在此基础上，有序排列的超细纤维与软骨基质蛋白联合，形成近似“钢筋-混凝土”的复合体，产生显著的力学协同增强作用，进一步提升软骨的机械性。结果表明，纤维-软骨环具备近似天然软骨的力学性能。
然后由PCL超细纤维网络和甲基丙烯酰胺明胶（GelMA）制备另一基本模块—纤维-凝胶环，有助于促进透壁血管快速生成和调节免疫发育微环境。纤维-软骨环与纤维-凝胶环交替堆叠在硅胶管上。这种气管样结构在异位移植到兔子体内4周后经历了血管化。在切除一段气管后，通过端到端吻合将血管化的生物工程气管样结构原位移植到本地兔气管上。生物工程化气管显示出类似于本地兔气管的机械性能，环之间有透壁血管生成。移植兔的8周存活率为83.3%，呼吸频率与术前水平相似。这种生物工程化气管具有治疗气管狭窄以及气管损伤的潜力。
图1 (A)MEW设备；(B)不同孔隙支架；（C）纤维-软骨环