3D生物打印新突破！用于軟組織缺損的患者特異性大體積支架成為可能！

來(lái)源： EFL生物3D打印與生物制造

外傷、腫瘤切除和其他外科手術(shù)可造成皮膚、脂肪、肌肉和其他結(jié)締組織的大面積軟組織損傷，由于損傷面積太大往往無(wú)法自行愈合，導(dǎo)致疤痕形成和功能缺損。其中，高達(dá)53%的戰(zhàn)場(chǎng)創(chuàng)傷涉及四肢軟組織，每年與肌肉損傷相關(guān)的創(chuàng)傷和腫瘤切除重建手術(shù)高達(dá)數(shù)百萬(wàn)例。自體組織移植通常伴有供體部位病變、功能喪失和移植失敗風(fēng)險(xiǎn)。此外，在嚴(yán)重創(chuàng)傷中，找到合適的供體也具有一定的難度。再生醫(yī)學(xué)通過(guò)增強(qiáng)人體自身修復(fù)能力，為大體積軟組織損傷（VML）提供了一個(gè)新的突破口。脫細(xì)胞的細(xì)胞外基質(zhì)（dECM）作為一種支持巨噬細(xì)胞和祖細(xì)胞浸潤(rùn)的支架材料，包含生長(zhǎng)因子、細(xì)胞外囊泡和其他驅(qū)動(dòng)骨骼肌生長(zhǎng)、血管化和神經(jīng)再生的促再生生物分子，有望用于VML。然而，目前制備這些dECM支架的方法局限于粉末、薄片和弱水凝膠。對(duì)于復(fù)雜和較大的損傷，這些技術(shù)都不足以完全填充傷口體積或提供一個(gè)工程環(huán)境來(lái)指導(dǎo)再生過(guò)程。新興的3D生物打印技術(shù)有望獲取更復(fù)雜、更大的3D支架，用于大型動(dòng)物臨床前模型，最終實(shí)現(xiàn)人類(lèi)患者的治療。

鑒于此，來(lái)自卡耐基梅隆大學(xué)的Adam W. Feinberg教授團(tuán)隊(duì)利用計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)、磁共振成像（MRI）等臨床成像數(shù)據(jù)和3D生物打印技術(shù)相結(jié)合，創(chuàng)造性地開(kāi)發(fā)了解剖學(xué)上精確的支架材料（懸浮水凝膠FRESH）。作者將大體積、患者特異性的dECM貼片（~12 × 8 × 2 cm）植入大體積肌肉損傷模型中。分析表明，這些dECM貼片在尺寸上是精確的，并且能適應(yīng)復(fù)雜創(chuàng)傷的表面。最后，作者將該方法擴(kuò)展到人的大體積肌肉損傷應(yīng)用中，以演示臨床相關(guān)的具有纖維陣列和微結(jié)構(gòu)的dECM支架的制備工藝。該研究成果具有顯著的突破性，可用于臨床轉(zhuǎn)化和由于外傷、腫瘤切除和其他外科手術(shù)導(dǎo)致的軟組織缺損患者的特異性治療。文章以題為“3D Bioprinted Patient-Specific Extracellular Matrix Scaffolds for Soft Tissue Defects”于2022.9.5發(fā)表在《Advanced Healthcare Materials》期刊上。

1. 用于軟組織缺損的患者特異性dECM貼片的制備
作者開(kāi)發(fā)了一種患者特異性dECM貼片的制備工藝。即將VML損傷的CT/MRI成像、3D圖像分割和嵌入式3D生物打印相結(jié)合，制備出可植入創(chuàng)面的患者特異性dECM支架（圖1）。制備工藝涉及6個(gè)關(guān)鍵步驟，具體包括（i）圖像處理：將組織缺陷的CT/MRI圖像轉(zhuǎn)換為患者特異性支架的可打印CAD模型；（ii）創(chuàng)制高濃度的dECM生物墨水，用于高保真的FRESH 3D打��；（iii）調(diào)整生物打印機(jī)，使用較大的25毫升注射器來(lái)制備大體積支架；（iv）將dECM支架轉(zhuǎn)移到傷口部位；（v）通過(guò)定量分析法評(píng)估支架材料的保真度和共形性；（vi）通過(guò)控制dECM的密度和纖維排列，使該過(guò)程適應(yīng)于人的VML損傷。

圖1 制備患者特異性dECM水凝膠貼片的示意圖

首先，作者在狗的股二頭肌上形成一個(gè)長(zhǎng)10厘米，寬7厘米，深約2-3厘米尺寸的傷口（圖2），該傷口面足夠大，可在愈合過(guò)程中產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性瘢痕。接著，進(jìn)行了傷口CT掃描、體積分割、提取傷口的實(shí)體模型，然后將其挖空，形成一個(gè)壁厚為4毫米的外殼，并在傷口床周?chē)�清洗以隔離貼片。值得一提的是，與商業(yè)生物打印機(jī)（最大的10毫升注射器）相比，該打印機(jī)可匹配25毫升注射器，擠出生物墨水體積可高達(dá)26.5毫升，具有顯著的體積優(yōu)勢(shì)。接下來(lái)，使用生物墨水對(duì)貼片進(jìn)行FRESH 3D打印，該體系中生物墨水由35 mg/mL純的I型膠原和20 mg/mL來(lái)自膀胱基質(zhì)（UBM）的dECM按照1:1混合而成。

圖2 FRESH 3D打印dECM貼片

2. dECM貼片的尺寸分析
dECM貼片的目的是匹配VML傷口的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并維持原有的形態(tài)，使得dECM與組織二者相匹配。為了評(píng)估這一點(diǎn)，作者在狗的肢體尸檢后上創(chuàng)建了一個(gè)VML傷口，CT成像后，凍結(jié)肢體以保持結(jié)構(gòu)的完整性（圖3）。作者在生物墨水中加入2%的硫酸鋇作為x射線造影劑。研究顯示，F(xiàn)RESH打印的dECM貼片與原CAD模型相比，平均偏差為±1.55 mm，說(shuō)明打印出的貼片具有總長(zhǎng)度和寬度變化為1-2%的高保真性。對(duì)比植入前后的dECM貼片，平均偏差為±1.14 mm，表明植入過(guò)程中貼片相對(duì)于總長(zhǎng)度和總寬度的形變程度不超過(guò)1.5%。植入的dECM貼片與原始CAD模型的平均偏差為±1.38 mm，說(shuō)明初始的CAD設(shè)計(jì)與最終植入的貼片形態(tài)具有高度相似性。

圖3 設(shè)計(jì)的dECM貼片與FRESH打印的dECM貼片進(jìn)行植入前后的尺寸分析

為進(jìn)一步確定患者特有的幾何形狀是實(shí)現(xiàn)合適覆蓋的必要條件，作者從dECM生物墨水中打印出一塊足以覆蓋整個(gè)傷口的薄片作為對(duì)照。dECM患者特異性貼片和dECM薄片植入同一冷凍創(chuàng)口，通過(guò)CT成像記錄接觸面積和空洞的體積，從而評(píng)估支架的共形性。研究發(fā)現(xiàn)，打印的患者特異性dECM貼片的變形量可以適應(yīng)傷口幾何形狀的微小變化，并實(shí)現(xiàn)輪廓匹配。此外，在dECM患者特異性斑塊上可檢測(cè)到87個(gè)空洞，雖然在植入的薄片上只檢測(cè)到41個(gè)空洞，但總空洞體積比患者特異性貼片的總空洞體積大約4.8倍。且dECM患者特異性貼片接觸創(chuàng)面的表面積為99.9%，與創(chuàng)面幾何形狀吻合度非常高，相比之下，薄片接觸創(chuàng)面的表面積僅為90.3%。（圖4）

圖4 植入的dECM患者特異性貼片與薄片的共形性分析與空洞量化結(jié)果圖

3. 在人股四頭肌中制備一種針對(duì)VML的患者的特異性dECM貼片

作者采用了狗VML損傷工藝，并將其應(yīng)用于臨床相關(guān)的人類(lèi)VML損傷，以證明利用CT數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)基于未受傷對(duì)側(cè)腿的患者特異性dECM支架的能力。首先，利用CT數(shù)據(jù)生成受傷和未受傷腿的3D模型。然后對(duì)模型進(jìn)行裁剪，通過(guò)比對(duì)未受傷和受傷肌肉之間的差異，得到dECM支架的幾何形狀。接著，以硫酸鋇為造影劑，用I型膠原蛋白和dECM生物墨水對(duì)dECM支架進(jìn)行FRESH 3D打印、CT成像。最后，將原CAD模型與FRESH 3D打印支架進(jìn)行外表面測(cè)量分析，結(jié)果顯示，該工藝得到的患者的特異性dECM貼片具有良好的尺寸精度，其平均偏差為±1.47 mm，與狗VML實(shí)驗(yàn)中使用的dECM貼片的平均偏差相當(dāng)。（圖5）

圖5 患者特異性dECM支架植入人的VML

總而言之，這項(xiàng)工作旨在以臨床影像數(shù)據(jù)作為切入點(diǎn)，創(chuàng)建大體積dECM支架，涵蓋VML損傷、支架植入以及適應(yīng)人VML損傷的過(guò)程。未來(lái)的研究將做進(jìn)一步的突破，即在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)具有確定微觀結(jié)構(gòu)、dECM組織來(lái)源、蛋白成份和力學(xué)性能的組織貼片，探究支架材料如何影響組織再生過(guò)程和功能特性。

文章來(lái)源：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.202200866