研究人員開(kāi)發(fā)出3D打印網(wǎng)狀生物材料支架可用于軟組織修復(fù)的炎癥調(diào)節(jié)

來(lái)源：江蘇激光聯(lián)盟

據(jù)悉，來(lái)自貝勒醫(yī)學(xué)院、萊斯大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一款可用于軟組織修復(fù)的炎癥調(diào)節(jié)的3D打印網(wǎng)狀生物材料支架(bioscaffold)。

軟組織損傷是由于肌肉或結(jié)締組織的弱化或破壞而發(fā)生的。最常見(jiàn)的軟組織損傷如疝氣。疝氣是由腹壁薄弱、有缺陷和受傷的區(qū)域引起的。這造成了腹內(nèi)臟器可能突出的缺陷。疝的最常見(jiàn)類型是切口疝、腹股溝直疝、股疝、新生兒臍疝和食管裂孔疝。疝氣的修復(fù)是通過(guò)外科植入人工網(wǎng)膜來(lái)牢固地支撐和加固受損的腹壁并促進(jìn)愈合過(guò)程(圖1A, B)。每年，要進(jìn)行超過(guò)40萬(wàn)例腹壁切口疝修補(bǔ)手術(shù)，美國(guó)醫(yī)療保健費(fèi)用約為150億美元。

圖1. 生物支架設(shè)計(jì)和疝氣修復(fù)手術(shù)。

▲圖解：(A)示意圖，顯示內(nèi)部器官通過(guò)腹疝突出。(B)外科植入網(wǎng)以加強(qiáng)腹壁。(C–E)示意圖描述了生物支架調(diào)節(jié)腹膜粘連形成的機(jī)制。(C)損害腹膜間皮層，其中分泌了帶正電的促炎細(xì)胞因子。(D)通過(guò)連接腹膜層和內(nèi)臟器官的間皮形成粘附。(E)植入帶負(fù)電的生物支架以在手術(shù)創(chuàng)傷后從受損的腹膜捕獲帶正電的促炎細(xì)胞因子。

疝氣手術(shù)局限性
人工疝網(wǎng)植入物是使用合成材料、生物材料和涂層材料開(kāi)發(fā)的。盡管這些網(wǎng)狀植入物具有其特殊的優(yōu)勢(shì)，但在減少潛在的不良術(shù)后并發(fā)癥方面不是十分有效。用網(wǎng)狀植入物進(jìn)行的疝氣手術(shù)修復(fù)大多是由于人工網(wǎng)膜植入后內(nèi)臟粘連，硬化和網(wǎng)狀收縮而失敗。內(nèi)臟粘連是從胃、腸或結(jié)腸的下層漿膜形成的纖維組織，其附著在植入的網(wǎng)片上。這些粘附主要由膠原蛋白和成纖維細(xì)胞組成，它們生長(zhǎng)在網(wǎng)格上并粘附在附近的組織、神經(jīng)和器官上。隨著粘連的增加，網(wǎng)孔縮小，疤痕組織變硬，從而形成堅(jiān)硬的纖維團(tuán)，可能引起慢性疼痛、腸梗阻、腸瘺、不育、生活質(zhì)量差變和疝氣手術(shù)修復(fù)失敗。為了去除失敗的人工網(wǎng)膜，需要進(jìn)行復(fù)雜的手術(shù)，其中網(wǎng)必須從膀胱、胃、腸、結(jié)腸或主要血管上剝離，這可能會(huì)對(duì)臨床結(jié)果產(chǎn)生不利影響。為了最小化粘附形成，移植物收縮和異物反應(yīng)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了可吸收的和生物的人工網(wǎng)膜。但是，這些人工網(wǎng)膜由于疝的復(fù)發(fā)率很高而沒(méi)有顯著效果。

來(lái)自貝勒醫(yī)學(xué)院、萊斯大學(xué)的研究人員介紹了一種用于軟組織修復(fù)并且可充當(dāng)炎癥調(diào)節(jié)系統(tǒng)的3D制造生物材料支架（bioscaffold），從而最大程度地減少組織與網(wǎng)片的粘附，從而減少疼痛和手術(shù)失敗。研究人員證明了其在大鼠腹疝模型中的體內(nèi)功效。手術(shù)幾天后，在植入網(wǎng)的地方出現(xiàn)了稱為細(xì)胞因子的炎性介質(zhì)。由于存在賴氨酸和精氨酸氨基酸，植入物中的某些主要細(xì)胞因子IL1-β，IL6和TNF-α具有正表面電荷。

圖2. 生物支架的制造和表征

▲圖解：(B). 3D打印的生物支架。(C–E). 3D打印的生物支架展示了其柔韌性

對(duì)于本研究中的生物支架制造，通過(guò)3D打印制造了具有原位磷酸酯交聯(lián)的聚乙烯醇聚合物（X-PVA）的生物支架。X‐PVA是由PVA與三偏磷酸鈉(STMP)在室溫下反應(yīng)合成的。PVA是形成水凝膠的合成聚合物，通常用作藥物賦形劑和制造藥物輸送系統(tǒng)。研究人員使用了內(nèi)徑為0.15毫米，長(zhǎng)度為6.35毫米，針壓為0.17兆帕，針筒體積為10毫升的32號(hào)針頭。印刷4、6、8、10和12層生物支架，并測(cè)試其彈性模量�；�于這些研究，將八層的生物支架用于體內(nèi)實(shí)驗(yàn)。

研究人員在實(shí)驗(yàn)室中證實(shí)，這種Biomesh可以捕獲帶正電的細(xì)胞因子（如下圖）。受這些結(jié)果的鼓舞，研究人員在大鼠疝氣修復(fù)模型中測(cè)試了Biomesh，并將其與臨床上廣泛用于外科疝氣修復(fù)的網(wǎng)格進(jìn)行了比較。

圖3. 生物支架充當(dāng)炎性細(xì)胞因子捕獲表面

▲圖解：(B–G). 明場(chǎng)和熒光的疊加，以及熒光共聚焦顯微鏡圖像，證明：(B)在生物支架表面上不存在細(xì)胞因子的情況下，抗體珠不結(jié)合；(C)與吸附在生物支架上的TNF-α結(jié)合的TNF-α抗體珠；(D)與結(jié)合于生物支架表面的IL-1α結(jié)合的IL-1α抗體珠; (E)與吸附在生物支架表面的IL-6結(jié)合的IL-6抗體珠; (F)與MIP-1α結(jié)合的MIP-1α抗體珠吸附在生物支架表面上; (G)與吸附在生物支架表面上的VEGF結(jié)合的VEGF抗體珠。

圖4. 生物支架在小鼠皮膚傷口模型中從傷口組織中捕獲促炎細(xì)胞因子。

▲圖解：(A–C)呈現(xiàn)未經(jīng)處理的皮膚傷口(A)，植入PROLENE網(wǎng)格的皮膚傷口(B)和植入生物支架的傷口的照片（用鑷子提起生物支架的邊緣以顯示存在 生物支架在皮膚傷口中）(C)

為了評(píng)價(jià)這種新型生物支架在防止粘連形成方面的功效，將其植入大鼠腹疝模型。為了比較bioscaffold的療效，商業(yè)聚丙烯(PROLENE)網(wǎng)被用作對(duì)照，因?yàn)樗�在外科疝修�?fù)的臨床應(yīng)用廣泛。在植入4周后，從大鼠體內(nèi)取出涂有聚乙烯醇的網(wǎng)片，檢查內(nèi)臟粘連的形成。在這些回收的網(wǎng)片上，沒(méi)有觀察到粘連形成，甚至在4周后縫線仍清晰可見(jiàn)，從而證實(shí)防粘連是X‐聚乙烯醇聚合物特有的特性。這些結(jié)果證實(shí)了bioscaffold在防止這種新型疝修復(fù)材料的內(nèi)臟粘連形成方面非常有效。

圖5. 生物支架在大鼠腹疝模型中的手術(shù)植入后預(yù)防內(nèi)臟粘連形成的功效。

▲圖解：(A)PROLENE網(wǎng)片，(B,C)植入2周和4周后取回PROLENE網(wǎng)片，表明形成廣泛的內(nèi)臟粘連。(D生物支架, E＆F)植入2和4周后回收的生物支架。(G)在植入2周后，PROLENE網(wǎng)的H＆E染色橫截面。黑色箭頭指向植入網(wǎng)的位置，紅色箭頭指向內(nèi)臟粘連。(H)植入2周后，生物支架的H＆E染色橫截面。黑色箭頭指示植入的生物支架的位置，藍(lán)色箭頭指示不存在內(nèi)臟粘連和新的腹膜層形成。(I，J)2和4周后H＆E染色的生物支架外植體橫截面的高倍放大圖像，表明在生物支架表面上形成了腹膜層。

目前還沒(méi)有這種多功能的復(fù)合生物網(wǎng)，開(kāi)發(fā)一種廣泛適用的生物網(wǎng)將是外科修復(fù)的一大進(jìn)步疝氣和其他軟組織缺陷。在該方法被應(yīng)用到臨床之前，研究人員正在進(jìn)行進(jìn)一步的臨床前研究。構(gòu)建生物網(wǎng)格具有高度的可再現(xiàn)性、可擴(kuò)展性和可修改性。

本文來(lái)源：Crystal S. Shin et al, 3D‐Bioprinted Inflammation Modulating Polymer Scaffolds for Soft Tissue Repair, Advanced Materials (2020). DOI: 10.1002/adma.202003778