利用基于组织特异性基质水凝胶的3D打印C形仿生气管进行即时气管重建

来源： 生物纳米材料前沿

目前，3D生物打印技术已成为一种有前景的策略，可为分段气管重建提供类天然气管替代品。然而，由于缺乏理想的生物墨水、对精确结构仿生的要求以及肌内预植入多步骤手术程序的复杂性，使用3D生物打印仿生气管进行气管修复的突破非常有限。在此，本文提出了一种一步式手术技术，即使用C形3D生物打印仿生气管进行直接端对端吻合，用于修复节段性气管缺损。首先，利用两种类型的组织特异性基质水凝胶来分别提供有利于软骨和纤维组织特定生长方式的机械和生物微环境。与我们之前的 O 形气管设计相反，交替的 C 形软骨环和连接血管纤维组织环的管状结构经过精心设计，可通过最佳打印路径和模型对气管结构进行快速 3D 生物打印。此外，裸鼠体内气管再生显示出令人满意的机械适应性和高效的生理再生。最后，利用3D生物打印的C形仿生气管，成功实现了家兔直接端端吻合的原位节段气管重建。这项研究展示了先进的 3D 生物打印在即时有效修复节段性气管缺陷方面的潜力。

本文亮点
1. 采用组合光交联策略简便制备了适用于软骨和纤维组织再生的组织特异性基质水凝胶。软骨特异性水凝胶具有较高的机械强度和良好的软骨诱导作用,而纤维组织特异性水凝胶则具有较低的机械强度和纤维诱导作用。

2. 通过优化打印路径和3D模型,快速打印出交替的C形软骨环和连接的血管化纤维组织环的管状结构,从而实现对原生气管生理结构和功能的精确模拟。

3. 通过皮下植入实验验证了3D打印的C形人工气管能够实现机械适应性良好且生理功能再生高效的气管重建。

4. 通过直接端端吻合手术成功实现了原位气管缺损的快速修复,避免了传统的两步手术,即肌肉前埋植后再血管蒂移植的繁琐过程。

5. 本研究证明了3D生物打印技术构建C形生物模拟气管的可行性,为气管段性缺损的临床治疗提供了一种新的有前景的替代策略。

图文参考

图1.使用基于组织特异性基质水凝胶的 3D 生物打印 C 形软骨血管化纤维组织集成气管进行即时气管重建的示意图。

图2. 可光交联基质水凝胶的表征。

图 3. 各向异性结构设计分析。

图 4. 组织特异性基质水凝胶的生物学评价。

图5. 3D 生物打印仿生 CVFIT 的表征。

图6. 3D 生物打印 CVFIT 裸鼠体内皮下植入。

图7. 裸鼠再生气管的组织学检查。

图8. 通过直接端端吻合术对家兔进行即时节段气管修复。

总结
本文提出并验证了使用3D生物打印技术构建C形生物模拟气管进行气管段性缺损直接端端吻合修复的新策略。研究结果表明,采用组织特异性水凝胶作为生物墨水,可以快速打印出模拟原生气管生理结构的C形气管-血管化纤维组织一体化构建。该C形构建物在裸鼠体内植入后,实现了机械适应性良好且生理功能高效再生的气管组织。更重要的是,在兔模型中成功应用3D打印C形气管进行直接端端吻合手术,避免了传统两步手术的繁琐过程,实现了气管段性缺损的快速修复。本研究为3D生物打印技术在气管重建方面的应用提供了可行的新策略,有望成为气管段性缺损临床治疗的一个有前景的替代方案。但是,翻译到临床应用还面临一些挑战,如预先上皮化的设计、减少端端吻合手术中气管重叠的问题等,需要进一步在大动物模型中验证其长期稳定性和安全性。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2023.09.011