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  近期，東華大學(xué)纖維材料改性重點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室游正偉教授團(tuán)隊(duì)在3D打印和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以《面向組織再生的3D打印仿生血管網(wǎng)絡(luò)》(3D printing of biomimetic vasculature for tissue regeneration)為題，發(fā)表于材料學(xué)領(lǐng)域著名期刊《Materials Horizons》。

  組織、器官的病變和損傷一直以來嚴(yán)重威脅人類健康，臨床上主要靠器官移植來治療，但是器官來源有限、存在免疫排斥反應(yīng)、潛在病毒傳染等一系列問題。再生醫(yī)學(xué)為解決該問題提供了全新的思路。其中組織工程學(xué)為代表，它綜合應(yīng)用工程學(xué)和生命科學(xué)的基本原理，研究開發(fā)用于修復(fù)、維持或改善人體病損組織的具有生理功能的替代物。其深刻地改變了傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)的概念，被認(rèn)為是繼細(xì)胞生物學(xué)和分子生物學(xué)之后，生命科學(xué)發(fā)展史上的又一個(gè)里程碑，標(biāo)志著醫(yī)學(xué)步入了制造組織和器官的新時(shí)代，從某種意義上說，它已成為一個(gè)國家醫(yī)學(xué)發(fā)展水平的標(biāo)志之一。但是組織工程臨床應(yīng)用還非常有限，其中一個(gè)核心的挑戰(zhàn)就是如果有效解決構(gòu)建組織的物質(zhì)交換問題。因?yàn)榻M織細(xì)胞都高度依賴分支化血管系統(tǒng)，為細(xì)胞提供良好的物質(zhì)交換以維持細(xì)胞生長的良好環(huán)境。而大多數(shù)組織工程構(gòu)建的組織都不具有理想的微血管網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)中高密度細(xì)胞無法得到充分的物質(zhì)交換且快速形成壞死中心。因此如何構(gòu)建仿生血管網(wǎng)絡(luò)，是組織再生領(lǐng)域中的一個(gè)核心挑戰(zhàn)。

  針對(duì)上述關(guān)鍵瓶頸問題，游正偉教授團(tuán)隊(duì)建立了基于3D打印技術(shù)的新策略，實(shí)現(xiàn)了血管網(wǎng)絡(luò)的高效仿生構(gòu)筑。提出了從宏觀個(gè)性化脈絡(luò)結(jié)構(gòu)、可灌注通道網(wǎng)絡(luò)、滲透性管壁三個(gè)層次對(duì)血管網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多級(jí)結(jié)構(gòu)仿生的概念。其中初級(jí)框架結(jié)構(gòu)可通過數(shù)字化加工實(shí)現(xiàn)，滿足精準(zhǔn)醫(yī)療的個(gè)性化需求，在宏觀結(jié)構(gòu)上模擬再生組織的形態(tài)；次級(jí)結(jié)構(gòu)的管道網(wǎng)絡(luò)具有良好整體連通性，可提供液體在內(nèi)部灌注、流動(dòng)、輸送的功能，模擬血管網(wǎng)絡(luò)的分支化通道結(jié)構(gòu)；第三級(jí)結(jié)構(gòu)是管壁上具有梯度分布的微孔結(jié)構(gòu)，以保證管道內(nèi)外的物質(zhì)交換，模擬血管壁的可滲透性功能。

制備原理和多級(jí)仿生結(jié)構(gòu)的示意圖

  文中作者提到該工作是從中國傳統(tǒng)手工藝“糖畫”中獲得靈感，將市售蔗糖作為單一原料，巧妙地利用3D打印機(jī)對(duì)其加熱進(jìn)行預(yù)焦糖化，現(xiàn)場(chǎng)制備具有良好打印性的墨水，然后3D“作畫”，實(shí)現(xiàn)了糖模板的一鍋法3D打印定制。然后通過相分離機(jī)制和犧牲模板策略相結(jié)合，高效構(gòu)筑了可灌注的聚合物基血管網(wǎng)絡(luò)和可控的微孔管壁。該方法具有良好的普適性，適用于熱塑和熱固性等多種材料，同時(shí)能夠很好地和各種組織工程支架比如海綿狀多孔支架、水凝膠、靜電紡納米纖維支架、細(xì)菌纖維素等結(jié)合制備含有內(nèi)嵌仿生血管網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合支架。

  進(jìn)而游正偉教授團(tuán)隊(duì)和上海交通大學(xué)附屬瑞金醫(yī)院的趙強(qiáng)教授和葉曉峰副教授合作，證實(shí)該仿生血管網(wǎng)絡(luò)復(fù)合支架在體外可維持高濃度細(xì)胞存活，體內(nèi)可以促進(jìn)血管和組織新生；進(jìn)一步用于治療大鼠心肌梗塞，顯著改善了心肌局部缺血，有效防止了心肌纖維化。該支架具有良好的生物相容性和可降解性，能夠根據(jù)個(gè)體需求3D打印定制，未來還可以與藥物和干細(xì)胞復(fù)合，實(shí)現(xiàn)藥物緩釋和干細(xì)胞遞送，為組織缺損再生修復(fù)等提供精準(zhǔn)醫(yī)療新方案。同時(shí)可以構(gòu)建體外3D組織模型，用于藥物篩選。另外在微流控等領(lǐng)域也有潛在的應(yīng)用前景。

仿生血管網(wǎng)的心肌梗塞補(bǔ)片應(yīng)用

  游正偉教授團(tuán)隊(duì)近年來專注生物彈性體材料及其3D打印的研究，去年的報(bào)道以“鹽”為核心的“咸墨水”打印，成功實(shí)現(xiàn)了熱固性材料3D打印[1]，并以生物彈性體為代表，實(shí)現(xiàn)了組織工程支架[2]和可穿戴摩擦納米發(fā)電機(jī)[3]的個(gè)性化定制。此次，該團(tuán)隊(duì)以“糖”為核心，用“甜墨水”實(shí)現(xiàn)了仿生血管網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。果然是“不會(huì)做飯的材料學(xué)科研者不是好醫(yī)生��！” ^_^

  東華大學(xué)博士生雷東是該論文的第一作者，東華大學(xué)游正偉教授、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院趙強(qiáng)教授、葉曉峰副教授是該論文的共同通訊作者。東華大學(xué)的莫秀梅教授、何創(chuàng)龍教授、陳仕艷教授、天津大學(xué)劉文廣教授、上海大學(xué)朱波教授是論文的共同作者。該工作獲得國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金的資助。

  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2019/mh/c9mh00174c

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Elastic 3D printed hybrid polymeric scaffold improves cardiac remodeling after myocardial infarction Adv. Healthc. Mater. 2019. DOI: 10.1002/adhm.201900065.鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adhm.201900065

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鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201805108