供稿人:周聖極，连芩 发布日期：2017-09-28
人类的气管因肿瘤、气管插管，钝伤等容易受到损害，也因出现气管变窄或各种缺陷而难以修复。然而目前临床常用的重建受损器官的方法都有其局限性。随着3D打印技术的发展，3D打印和组织工程技术用于人体气管的修复和更换提供了新的方案。
气管组织工程的方法，首先从患者体内取组织活检，将软骨细胞与营养成分混合在一起培养，再用3D打印机塑造成气管的形状，构造出支架，然后研究人员在其上覆盖软骨细胞和胶原蛋白的混合物，使其长成软骨，最后将此段通过手术植入以替代病变部分。2015年美国北岸-LIJ 医疗集团下属Feinstein医学研究所的研究人员在此方面获得了新的突破。研究团队改装了一台MakerBot Replicator 2X 3D打印机，让其中的一个挤出机挤出PLA，而另外一个挤出机则挤出生物材料，在打印过程中被注入PLA支架的缝隙中，然后在MakerBot的热床上固化成凝胶。一旦生物墨水粘附到支架上，就送入生物反应器内保持细胞生长，因此细胞可以在3D打印过程中存活，并能够继续分裂，并产生最终形成软骨的细胞外基质。团队在孵化器内用四周可制作出一个3D打印的气管段。
图1 Goldstein先生和MakerBot 3d打印机
气管狭窄是一种罕见但危及生命的疾病，是气道梗阻引致气急和呼吸困难。长段气管狭窄修补术是临床上的一个棘手问题，环形切除病变行对端吻合术是以往气管狭窄的主要治疗方法，但目前的手术策略对于气管狭窄的部位和长度有很大的局限性，因此用3D打印的方法修复整个气管段缺损是解决这一临床需求的一种很有前途的方法。2017年5月，中国上海的研究团队在《nature》杂志上发表了一篇名为《Tissue-engineered trachea from a 3D-printed scaffold enhances whole-segment tracheal repair》的论文[1]，论证3D打印修复整个气管段缺损方案的可行性。他们首先测量了新西兰白兔天然气管（图 2A和B），设计出一个相同尺寸的PCL支架（图2CDE）。支架内层由垂直和水平的PCL横杆组成，作为支撑系统加强支架，同时提供足够的空间来覆盖这些区域软骨细胞。然后进行了傅立叶变换红外光谱（FT-IR）分析，确定在3D打印过程中PCL化学结构不会变化变化（图2FGHI）。接着用种子软骨细胞体外培养了3D打印支架，产生软骨组织，在4周培养后软骨细胞完全吞噬脚手架组装与分泌细胞外基质的细胞层（图3）。在组织工程培养完成后，对两组试验兔进行了气管置换手术，切除一段天然气管，植入打印气管，发现其呈现出良好的生物相容性。该结果表明3D打印方法是制造组织工程支架的一种可靠、高效的方法。这次研究也是首次强调了动物模型修复气管缺损的可能性。
图2 PCL支架建造过程（A）白兔天然气管长度；（B）白兔天然气管宽度；（C）PCL支架的建模；（D）PCL支架的长度；（E）PCL支架的宽度；（F）（G）红外光谱（FT-IR）分析；（H）（I）径向压缩力变形分析。
图3 细胞与软骨细胞填充支架的过程
虽然现在的3D打印技术在气管修复方面的研究才刚刚起步，但在短短的几年内就取得了巨大的成果，也显示出3D打印技术将在医学上的巨大应用前景。