生物3D打印C形软骨-纤维交替仿生气管即刻修复节段性气管缺损

来源： 数字医学与生物3D打印

近期，上海交通大学医学院附属第九人民医院华宇杰、周广东教授和上海交通大学医学院附属上海市同仁医院王晓云主任在科爱创办的期刊Bioactive Materials上联合发表研究论文：针对气管仿生结构设计与功能重建需求，研究者分别制备了适配软骨、纤维再生的基质微环境仿生水凝胶（后称“基质胶”）作为组织特异性生物墨水，通过生物3D打印技术构建C形软骨-纤维交替仿生气管，并采用一步式端端吻合修复术成功实现了节段性气管缺损修复与功能重建，从而摒弃了传统的“气管旁肌肉预埋植+带蒂移植端端吻合”的两步式修复术。

节段性气管缺损修复与功能重建是临床重大挑战。目前，含细胞生物3D打印技术作为一种构建具有异质结构工程化组织或器官的新策略，有望提供生理结构仿生且功能健全的气管移植物。前期研究中，该团队设计并制备了光交联脱细胞基质水凝胶以提供适配软骨/纤维特异性微环境，并结合生物3D打印技术成功实现了O形软骨-纤维交替仿生气管（CVFIT），进一步通过“气管旁肌肉预埋植+带蒂移植端端吻合”两步式修复术实现了节段性气管缺损修复与功能重建（Adv. Sci. 2022, 2202181）。但是，目前仍然在复杂生物墨水设计、C形气管结构精准仿生、多步修复手术模式等方面制约着生物3D打印仿生气管的临床转化。基于此，研究者提出了一种运用生物3D打印C形仿生气管直接端端吻合原位修复节段性气管缺损的新策略（如示意图所示）。

示意图 基于组织特异性基质胶的生物3D打印C形软骨-纤维交替仿生气管即刻修复节段性气管缺损的示意图

一、光交联基质胶的理化性能表征
研究者选用具有光交联特性的天然高分子材料作为组织特异性生物墨水的基本成分，即选用可打印性的甲基丙烯酰化明胶（GM) 和软骨组织来源的甲基丙烯酰化硫酸软骨素（CM）制备软骨特异性基质胶（GC-gel）；选用GM和纤维组织来源的甲基丙烯酰化弹性蛋白（EM）制备纤维特异性基质胶（GE-gel）。如图1所示，GC-gel和GE-gel基质胶具有较快的光交联速度（GC-gel：3.4±0.2 s；GE-gel：9.1±0.4 s）、差异化的剪切模量（GC-gel：3.9±0.3 KPa；GE-gel：0.7±0.05 KPa），以及合适的溶胀率和酶降解特性，能够满足组织再生支架材料的基本要求。

图1 光交联基质胶的理化性能表征

二、各向异性气管仿生结构设计
为了精准模拟气管硬-软组织交替结构，研究者精心设计了两种不同力学强度的基质胶。如图2所示，在柔软的GM网络中引入高交联密度的CM网络，能够显著提高压缩模量（从8.0±0.1 KPa提高到31.2±0.8 KPa）；而引入低交联密度的EM网络，则略微降低压缩模量（6.8±0.3 KPa）。接着，O形和C形气管模型有限元分析表明：贯通的C形结构设计有效增强了VF环和C-C环之间的一体化整合。另外，C形管状结构不仅可以通过刚性软骨环承受平行于C形位置的机械应力；而且由于刚性软骨区域之间存在柔性间隙，C形管状结构可以有效耗散垂直于C形位置的机械应力。以上结果表明，采用GC-gel基质胶作为CVFIT的刚性部分，GE-gel基质胶作为CVFIT的柔性部分，能够实现硬-软组织交替结构、以及适应各向异性力学环境的仿生气管构建。

图2 各向异性气管仿生结构设计与有限元分析

三、生物3D打印仿生气管的表征
组织特异性生物墨水的可打印性是生物3D打印仿生气管的基本要求。如图3所示，研究者首先证明GC-gel和GE-gel基质胶具有固有的挤出成型能力，并优化了生物3D打印技术参数（如打印压力、打印速度）。接着，通过双喷头交替式生物3D打印技术分别构建了O形和C形CVFIT仿生气管。实验结构表明，荧光标记的软骨细胞（红色）和成纤维细胞（绿色）呈现交替分布于C形管状结构中，从而证实基于组织特异性生物墨水的生物3D打印技术能够实现含多种细胞的异质结构构建。

图3 生物3D打印仿生气管构建与结构表征

四、体内气管再生与功能评价

为了探讨体内气管再生的可行性，研究者将生物3D打印仿生气管（C形CVFIT为实验组；O形CVFIT为对照组）植入裸鼠皮下，并系统进行了大体观、力学性能、组织学染色、定量检测评价。如图4所示，由于CVFIT初始力学强度以及硅胶管内支撑，再生气管的管腔结构得以长期维持。同时，C形再生气管呈现软骨-纤维交替结构，以及C形软骨间隙。力学测试结果表明：再生的O形和C形气管均表现出类似的力学特性，即径向压缩性、侧向柔韧性和抗疲劳性。此外，再生的C形气管具有各向异性的压缩能力，这是由于C形结构设计可以有效耗散机械能，有利于正常气管力学功能重建。组织学结果表明：再生的C形气管具有C形软骨-纤维交替结构以及组织特异性ECM沉积（如图5所示）。定量结果进一步证实，再生气管的力学强度、胶原蛋白和糖胺聚糖的含量接近于天然气管。

图4 裸鼠皮下生物3D打印仿生气管植入与功能评价

图5 体内再生气管的组织学评价

五、节段性气管缺损修复评价
最后，研究者采用一步式端端吻合修复术，运用生物3D打印C形仿生气管进行兔节段性气管缺损修复与功能评价。如图6所示，基于生物3D打印技术的一步式端端吻合修复术能够实现节段性气管缺损的即刻修复与功能重建。术后8周，重建气管呈现完整、连续的C形管腔结构，以及内表面光滑、通气良好、与天然气管无缝整合。组织学评价表明：C形仿生气管可以实现与天然气管类似的软骨-纤维交替结构的组织再生与上皮化功能重建。因此，本研究证实了利用生物3D打印C形仿生气管可以作为一种替代的节段性气管缺损修复策略，能够实现快速、高效的气管缺损修复与功能重建。

图6 兔节段性气管缺损修复及组织学评价

第一/通讯作者简介

第一作者： 孙玉艳：山东省潍坊医学院与上海市组织工程研究重点实验室联合培养硕士研究生，主要从事软骨再生及气管重建研究。

通讯作者：
华宇杰：上海交通大学医学院附属第九人民医院助理研究员、新乡医学院特聘教授，依托于上海市组织工程研究重点实验室、组织工程国家工程研究中心开展科研工作，研究方向聚焦于微环境仿生水凝胶构筑及调控硬/软组织再生，通过建立杂化交联、基质仿生、动态调控等水凝胶构筑技术，成功实现骨、关节、气管、尿道、皮肤等多种组织再生与缺损修复。目前以第一/通讯作者在Sci. Adv., Nat. Commun., Bioact. Mater., Adv. Sci., Adv. Healthc. Mater., ACS Appl. Mater. Inter., Mater. Today Bio, Appl. Mater. Today, ACS Macro Lett.等学术期刊发表SCI论文20余篇，累计影响因子大于250，申请/授权国家发明专利10余项，主持国自然青年基金、参与国家重点研发计划（子课题负责人）等项目，担任中国生物医学工程学会组织工程与再生医学分会青年委员，获第一届全国博士后创新创业大赛优胜奖。

王晓云：上海交通大学医学院附属上海市同仁医院整形外科教授、主任医师，副研究员资格。国家十三五、十四五重点研发项目子课题骨干专家，曾参与多项国家863、973项目/课题研究，主持并完成国家自然科学基金项目及国家博士后科研基金等项目。曾任中国生物医学工程学会组织工程与再生医学分会青年委员，现任国家自然科学基金委评审专家库专家成员，中国医药文化协会医工融合分会细胞治疗技术和设备学组委员，组织工程国家工程研究中心床转化研究特邀专家，近年来以第一/通讯作者在Bioact. Mater., Adv. Healthc. Mater., Front. Bioeng. Biotechnol., Appl. Mater. Today., ACS Appl. Mater. Inter.等学术期刊发表SCI论文8篇，累计影响因子大于50，第一发明人授权国家技术发明专利2项。

周广东：上海交通大学医学院附属第九人民医院教授、研究员、博士生导师，组织工程国家工程研究中心常务副主任，上海市组织工程研究重点实验室主任，国家十三五重点研发项目首席科学家，多项国家863、973项目/课题负责人，教育部新世纪优秀人才，泰山学者特聘教授，上海市优秀技术带头人，上海市医学领军人才。主攻骨软骨再生核心技术及其临床转化，涉及软骨/骨再生核心技术、组织再生调控机制、微环境仿生模拟、大动物缺损修复、再生技术临床应用及产业转化等领域，在国际上率先实现了关节、耳、鼻、鼻甲、睑板、气管、唇腭裂、半侧颜面萎缩等多种骨软骨缺损与先天畸形再生修复重建的临床转化突破，开创了活体组织再生再造全新治疗模式，累计启动各类活体组织再生技术临床转化研究22项，已完成各类骨软骨缺损再生修复与畸形矫治200余例，获国家技术发明二等奖、山东省科技进步一等奖、全国创新创业大赛优秀奖。

资助信息：
该研究获得了国家重点研发计划（2022YFA1207500）、国家自然科学基金（82302823、81871502、81671837）、上海交通大学医学院生物材料与再生医学研究院联合攻关项目（2022LHA07）、上海市科技重大专项（21Y11911700）、上海市临床重点专科（shslczdzk06601）、河南省重点研发计划（221111310100）等项目资助。

原文信息
Yuyan Sun, YingyingHuo, Xinyue Ran, Hongying Chen, Qingqing Pan, Yujie Chen, Ying Zhang, WenjieRen, Xiaoyun Wang*, Guangdong Zhou*, Yujie Hua*.

Instant trachea reconstruction using 3D-bioprinted C-shape biomimetic trachea based on tissue-specific matrix hydrogels.

BioactiveMaterials, 32 (2024) 52-65.

https://10.1016/j.bioactmat.2023.09.011