《Materials Horizons》发表 我校在3D打印和再生医学领域最新研究成果
近日，东华大学纤维材料改性重点国家实验室游正伟教授团队在3D打印和再生医学领域取得重要进展，相关成果以《面向组织再生的3D打印仿生血管网络》(3D printing of biomimetic vasculature for tissue regeneration)为题，发表于材料学领域著名期刊《Materials Horizons》。东华大学博士生雷东是该论文第一作者，东华大学游正伟教授、上海交通大学医学院附属瑞金医院赵强教授、叶晓峰副教授是该论文的共同通讯作者。东华大学的莫秀梅教授、何创龙教授、陈仕艳教授、天津大学刘文广教授、上海大学朱波教授是论文的共同作者。
组织、器官的病变和损伤一直以来严重威胁人类健康，器官移植作为一种传统治疗手段受限于器官来源有限、异体移植的免疫排斥反应、潜在病毒传染以及自体移植手术的扩大伤害等问题。众所周知，组织细胞都高度依赖分支化血管系统，为细胞提供良好的物质交换以维持细胞生长的良好环境。而大多数组织工程构建的组织都不具有理想的微血管网络，当中高密度细胞无法得到充分的物质交换且快速形成坏死中心。因此，如何构造出包含仿生天然血管网络的工程组织，并且能在体内外维持长时间的生存是组织再生领域中一大公认的难点与挑战。现有的仿生血管网的构建主要集中在如何构建二维微通道结构，在三维大块结构以及更加微观模拟血管壁渗透性方面研究较少，同时报道的方法一般只适用于特定的材料。
针对上述关键问题，游正伟教授团队发展了基于3D打印技术的新策略，实现了血管网络的仿生构筑。提出了从宏观个性化脉络结构、可灌注通道网络、渗透性管壁三个层次对血管网络进行多级结构仿生的概念。该研究成果表明，三次层次中初级框架结构可通过数字化加工实现，满足精准医疗的个性化需求，在宏观结构上模拟再生组织的形态；次级结构的管道网络具有良好整体连通性，可提供液体在内部灌注、流动、输送的功能，模拟血管网络的分支化通道结构；第三级结构是管壁上具有梯度分布的微孔结构，以保证管道内外的物质交换，模拟血管壁的可渗透性功能。
多级仿生结构示意图
第一作者东华大学博士生雷东介绍说，此次研究工作是从中国传统手工艺“糖画”中获得灵感，将市售蔗糖作为单一原料，巧妙地利用3D打印机对其加热进行预焦糖化，现场制备具有良好打印性的墨水进行3D“作画”，实现了糖模板的一锅法3D打印定制。然后通过相分离机制和牺牲模板策略相结合，高效构筑了可灌注的聚合物基血管网络和可控的微孔管壁。该方法具有良好的普适性，适用于热塑和热固性等多种材料，同时能够很好地和各种组织工程支架比如海绵状多孔支架、水凝胶、静电纺纳米纤维支架、细菌纤维素等结合制备含有内嵌仿生血管网络的复合支架。
可灌注性仿生血管网络
基于此项研究，游正伟教授团队和上海交通大学附属瑞金医院的赵强教授和叶晓峰副教授合作，证实该仿生血管网络复合支架在体外可维持高浓度细胞存活，体内可以促进血管和组织新生；进一步用于治疗大鼠心肌梗塞，显著改善了心肌局部缺血，有效防止了心肌纤维化。该支架具有良好的生物相容性和可降解性，能够根据个体需求3D打印定制，未来还可以与药物和干细胞复合，实现药物缓释和干细胞递送，为组织缺损再生修复等提供精准医疗新方案。同时可以构建体外3D组织模型，用于药物筛选。另外在微流控等领域也有潜在的应用前景。该工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市自然科学基金的资助。
仿生血管网的心肌梗塞补片应用示意图
原文链接： https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2019/mh/c9mh00174c