供稿人：仝帅康、高琳 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：2024-03-04
新兴的组织工程将种子细胞与生物相容性支架相结合，是构建具有天然结构工程仿生气管的一种很有前景的策略。天然气管具有交替的C-C形软骨环和连接的血管化-纤维组织（VF）环以及腔内上皮层的复杂且异质的结构。然而，目前打印仿生软骨血管化纤维组织整合气管上多为O形，缺乏C环的C型结构和VF环的互连，会影响气管的机械性能以及血液和营养物质的有效运输。除了仿生结构设计外，目前工程仿生气管原位修复气管节段性缺损一般采用通过肌内预植入的多步骤外科手术，操作复杂且耗时，气管修复效率较低。
为了解决以上问题，上海交通大学医学院利用一种生物3d打印的C形仿生气管通过直接端到端吻合进行原位气管重建的新策略。采用混合光交联策略，将可打印的明胶甲基丙烯酰（GelMA）与硫酸软骨素甲基丙烯酰(CSMA)结合为软骨特异性基质凝胶，将弹性蛋白甲基丙烯酰(ElaMA)作为纤维组织特异性基质凝胶，分别提供有利于软骨和纤维组织特定生长方式的力学和生物微环境。通过简化打印路径和3D模型，可以快速3D打印出C-C和VF环交替的管状结构，从而精确模拟天然气管的生理结构和功能。
图1 生物打印C形软骨血管化纤维组织集成气管的示意图
图2 通过直接端到端吻合术在兔体内进行即时气管修复
综上所述，研究人员开发了一种使用3D生物打印的C形仿生气管，成功实现了皮下植入的体内气管再生和直接端到端吻合的原位节段气管重建，其满足结构一体化、机械适应性和生理功能的要求。通过体内实验与组织学观察表明，C形结构设计可以有效地重建整个管状结构的完整血管网络，为软骨再生提供丰富的血液和营养。本研究展示了利用3d生物打印技术在快速修复气管节段性缺损的可行性，从而为节段性气管缺陷提供有希望的替代治疗。