【导读】

功能化气管重建一直是临床上面临的重大挑战。迄今为止，依靠3D生物打印技术实现与原生气管相似的软骨-纤维组织交替模拟结构的功能性气管再生的进展非常有限。近期，上海交通大学医学院附属第九人民医院、上海市组织工程重点实验室、组织工程国家工程研究中心周广东团队，联合哈佛医学院Y. Shrike Zhang教授，在Advanced Science期刊上发表文章Functional Trachea Reconstruction Using 3D-Bioprinted Native-Like Tissue Architecture Based on Designable Tissue-Specifific Bioinks，设计并开发了一种组织特异性光交联生物墨水，并应用生物3D打印技术（Bio-architect WS）构建软骨-血管化纤维组织整合气管（CVFIT）。该研究表明，3D生物打印的原生组织样气管是一种有前景的临床气管重建替代方法。

利用光交联组织特异性生物墨水构建 CVFIT

研究人员提出了一种新的3D生物打印策略，利用精心设计的用于功能化气管重建的光交联组织特异性生物墨水，创建软骨-血管化纤维组织整合气管(CVFIT)(图1)。C环和VF环交替管状设计可以精确模拟原生气管的生理结构和功能。C环由承载软骨细胞的光交联软骨特异性生物油墨(p-CB)构建。血管化纤维环由成纤维细胞负载的光交联血管化纤维组织特异性生物墨水(p-VFB)构建。这些特殊设计的多组分生物墨水可以分别模拟软骨和血管化纤维组织的组织特异性微环境。两种生物墨水的混合光引发聚合反应提供快速的交联和增强的力学性能。采用与原生气管相似的软骨-纤维组织模拟交替结构，这意味着未来3D生物打印用于复杂组织/器官缺损的修复和重建具有很高的可行性。

图1 软骨-血管化纤维组织特异性生物墨水和3D生物打印CVFIT用于裸鼠气管再生和兔气管原位重建

生物墨水的可打印性评价及生物打印CVFIT的表征

生物墨水的可打印性是通过3D挤出生物打印构建复杂结构最重要的要求。研究人员使用p-CB和p-VFB生物墨水以及双喷嘴3D挤压式生物打印系统（Bio-architect WS，Regenovo），成功地打印了具有交替环对环管状结构的气管模拟物，随后在30秒内进行光照射(365 nm, 20 mW cm−2)进一步光交联，以增强机械强度并保持设计形状。具体来说，基于p-CB和p-VFB成功地打印出了包含局部软骨细胞和成纤维细胞的交替C环- VF环管状结构，生物打印的CVFIT保持了稳定的管状形状。此外，3D生物打印对单元和细胞定位具有精确控制；荧光染色结果显示组织特异性水凝胶中表型维持良好(图2)。所有这些结果表明，双喷嘴3D挤压生物打印技术结合光交联生物墨水可以精确地构建软骨-纤维组织交替的仿生气管。

图2 生物墨水的可打印性评价及生物打印CVFIT的表征

CVFIT打印皮下植入裸鼠

为了进一步研究气管再生的可行性，研究人员采用等距硅胶管作为内部机械支撑，以软骨细胞载管状印件(无结缔组织环)作为对照（图3）。8周后，管状及软骨-纤维组织交替结构基本保持与原生气管相似，而对照组仅软骨管呈单一软骨结构。由于组织结构由硬到软交替，再生气管具有良好的抗压性、纵向拉伸性和横向柔韧性，接近于原生气管，这明显有利于重建气管的正常机械功能。证实了具有软硬交替组织结构的生物3D打印气管不仅有利于机械功能的恢复(抗压、抗拉和弯曲能力)，而且由于血管化纤维组织环提供了充足的营养供应，也有利于生理功能的重建。

图3 生物打印CVFIT在裸鼠体内皮下植入

节段性气管重建手术及治疗效果

为了最终验证使用生物3D打印仿生气管进行功能重建的可行性，研究人员在兔模型上进行了节段性气管缺损修复。将打印的CVFIT预植入兔颈部，并用血管肌瓣包裹，然后使用再生的气管(体内预培养8周)和血管肌蒂，通过端到端吻合修复气管缺损（图4）。术后8周，大体视图显示重建气管呈完整连续的管状结构，内表面光滑，无痰液堆积，与原气管融合良好。再生的软骨环与周围带血管的纤维环无缝结合，重建的气管也表现出与原生气管良好的连接。这表明合理设计、生物打印、仿生气管可以实现与原生气管相似的功能重建，软骨-血管化纤维组织交替再生和上皮化。

图4 节段性气管重建手术及治疗效果

结论

综上所述，研究人员开发了一种使用生物3D打印仿生软骨-血管化纤维组织整合气管的功能重建新策略。光交联组织特异性生物墨水提供了合适的可打印性、令人满意的生物相容性，以及基于多组分协同效应的软骨和血管化纤维发生的仿生微环境。更重要的是，具有交替软骨和血管化纤维组织环的管状类似物被成功打印，表明了3D生物打印的原生组织样气管是未来临床气管重建的一种有前途的选择。

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