[发明专利]一种生物3D打印组织工程气管及其构建方法与应用

说明书

本发明涉及一种生物3D打印组织工程气管及其构建方法与应用，即软骨/血管化纤维组织交替的组织工程气管。构建方法包括：首先分别利用软骨组织特异性水凝胶包裹软骨细胞制备软骨特异性生物墨水；利用纤维组织特异性水凝胶包裹成纤维细胞制备纤维特异性生物墨水；然后，通过双针头挤出式生物3D打印技术，实现交替式打印并形成环形管状结构，经多层堆积成型构建软骨/纤维组织交替的管状结构；进而，通过一定的培养方式实现纤维组织的血管化，最终获得相对成熟的软骨/血管化纤维组织交替的组织工程气管。本发明还提供软骨/血管化纤维组织交替的组织工程气管在气管缺损修复中的应用。

技术领域

本发明属于生物医学组织工程领域，尤其是涉及一种生物3D打印组织工程气管及其构建方法与应用。

背景技术

功能性节段气管重建在临床上一直是一个巨大的挑战，主要是因为缺乏理想的气管移植物。近年来，组织工程技术的发展为气管缺损重建提供了一种全新的治疗手段。虽然，目前使用组织工程管状软骨构建的气管移植物在动物验证上已经取得了一定的修复效果，但是单一、均质的管状气管结构必然会导致力学缺陷(例如缺乏纵向拉伸、横向弯折能力等)，并且缺乏软骨环之间的血管化纤维组织为软骨再生提供必要的营养物质，不利于最终走向临床应用。值得注意的是，真实的气管结构是具有交替软骨环和血管化纤维组织环的异质结构，这对实现气管的力学和生理功能至关重要。

最近，文献报道了一种基于软骨环组装成管状结构气管的构建理念，是通过交替堆叠软骨环和高分子环(无细胞)形成管状结构实现的，能够在一定程度上模拟天然气管的生理结构(参考文献：Biomimetic Trachea Regeneration Using a Modular RingStrategy Based on Poly(Sebacoyl Diglyceride)/Polycaprolactone for SegmentalTrachea Defect Repair；Y.Xu,Y.Guo,Y.Li,Y.Huo,Y.She,H.Li,Z.Jia,G.Jiang,G.Zhou,Z.You,L.Duan,Adv.Funct.Mater.2020,30,2004276.)。但是，上述研究未能解决以下问题：1)合成材料缺乏理想的生物相容性和组织特异性微环境；2)需要长期的体外培养过程才能达到满意的软骨形成进行体内气管缺损重建；3)手工制备的管状结构无法实现细胞排布和交替结构的精确可控；4)血管化纤维组织再生依赖于随机细胞浸润，往往会导致组织形成不稳定及血管化较差；5)软骨环和血管化纤维环的界面整合设计不合理，容易脱落；6)缺乏对再生气管进行系统的功能评估。因此，本领域迫切需要提供一种新型的组织工程气管的构建方法。

发明内容

基于现有技术中组织工程管状软骨构建的气管移植物在力学、生理学等方面存在的性能缺陷，本发明提供一种生物3D打印组织工程气管及其构建方法与应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明首先提供一种生物3D打印组织工程气管，为一种由软骨环和血管化纤维环交替堆积成型的环形管状结构，

所述软骨环为由软骨组织特异性水凝胶包裹软骨细胞制备的软骨特异性生物墨水3D打印而成，

所述血管化纤维环为由纤维组织特异性水凝胶包裹成纤维细胞制备的纤维特异性生物墨水3D打印而成，

所述软骨环和血管化纤维环具有典型的组织特征，所述软骨环和血管化纤维环为一体化结构。

本发明中，所述软骨组织特异性水凝胶是指具有成软骨定向诱导功能的水凝胶，由软骨组织特异性水凝胶包裹软骨细胞制备的软骨特异性生物墨水是指具有成软骨定向诱导功能的生物墨水。

本发明中，所述纤维特异性水凝胶是指具有成纤维定向诱导功能的水凝胶；由纤维组织特异性水凝胶包裹成纤维细胞制备的纤维特异性生物墨水是指具有成纤维定向诱导功能的生物墨水。