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东华大学游正伟教授和上海交大周广东教授联合团队:四轴3D打印管状支架及气管软骨再生
2019-09-29  来源:高分子科技

  管状组织比如血管、气管、尿道的再生修复在临床上有巨大的需求,而管状组织工程支架的构筑是关键。目前能够真正应用于临床的人工管状移植物中,绝大部分都是使用涤纶、硅胶、聚四氟乙烯这类惰性高分子材料,主要通过纤维编织方法而制备管状结构。挤出式的3D打印技术通过对材料的精确堆积的方式而实现增材制造,因其能快速制造立体结构而被广泛应用。但是由于管状支架有着薄壁多孔结构的特殊要求,导致打印的过程需要使用支撑结构,因此难以直接3D打印制备大段的管状支架。

  针对上述问题,东华大学纤维材料改性国家重点实验室的游正伟教授团队提出一种4轴3D打印策略以实现类似纤维编制结构管状支架的制备。该方法通过3D打印将墨水材料挤出呈线条状,以旋转装置作为接收平台,二者协同工作形成X/Y/Z/Rotation的4轴成型系统。所制备的管状支架具有方便易调节的宏观形态和精确可控的纤维交织结构。只需要几分钟就可以加工10厘米以上长度的支架,相比当前管状支架的制备方式,大大提高了加工效率。

图 4轴3D打印管状组织工程支架及气管软骨再生应用。

  这种策略具有高度的通用性能够被很好的应用于非常广泛的生物材料,例如热塑性材料、热固性材料以及水凝胶材料。该团队在前面热固性材料3D打印[1]和心肌补片应用[2]的研究基础上将4轴打印技术相结合,从而实现了对热固性生物弹性体聚癸二酸甘油酯(PGS)管状支架的便捷化加工,所构筑的PGS生物弹簧表现出良好的柔性、弹性和耐疲劳性,可以在动态力学应用环境中保持管状结构。并进一步与静电纺丝技术相结合制备了PGS生物弹簧/Gelatin纳米纤维管状复合支架。

  进而游正伟教授团队和上海交通大学附属第九人民医院周广东教授团队合作研究了该支架在组织工程中应用,体外培养证实该管状复合支架适合软骨细胞贴附、生长和增殖,制备出了长段的管状软骨;在裸鼠皮下培养12周后形成了成熟的管状软骨,其组织成分和生物力学等相关性能均与天然的气管软骨相似,有望应用于长段气管缺损的重建。该管状支架制备技术在其它管状组织例如血管、食道、尿道等的修复和再生中也有广阔的应用前景。

  相关成果以“4-axis printing microfibrous tubular scaffold and tracheal cartilage application”为题,发表于中国材料学杂志《SCIENCE CHINA Materials》上。东华大学博士生雷东为第一作者,东华大学游正伟教授,上海交通大学医学院附属第九人民医院周广东教授,同济大学附属上海市肺科医院徐勇医生为该论文的共同通讯作者。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、东华大学励志计划等基金资助。

  游正伟教授团队长期从事弹性体材料研究,主要在功能聚酯生物弹性体(Biomaterials 2010, 31, 3129; Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 28; ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 20591; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 9590; J. Mater. Chem. B, 2016, 4, 2090; Acta Biomater. 2019, 539, 351; J. Mater. Chem. B, 2019, 7, 123; ACS Biomater. Sci. Eng. 2019, 5, 1668)和聚肟氨酯类自愈合智能弹性体领域(Adv. Mater. 2019, 31, 1901402; Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1901058; Mater. Chem. Front 2019, 3, 1833)开展了一系列工作。并研究了这些弹性体的3D打印,构筑了仿生血管网络等常规3D打印难以获得的三维精细结构(Mater. Horiz. 2019, 6, 394; Mater. Horiz. 2019, 6, 1197; Adv. Healthc. Mater. 2019, 8, 1900065)。进而探索了上述材料和技术在生物医学和可穿戴电子设备等领域的应用(Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1805108; J. Mater. Chem. A 2019, 7, 13948; Nano Energy 2019, 63, 10384; Adv. Healthc. Mater. 2019, 8, 1801455)。

  原文链接:

  参考文献:

  [1] Lei, D. et al. A general strategy of 3D printing thermosets for diverse applications Mater. Horiz., 2019, 6, 394 – 404.

  链接:https://pubs.rsc.org/ja/content/articlepdf/2019/mh/c8mh00937f 

  [2] Yang. Y#; Lei, D.#; Huang, S.; Yang, Q.; Song, B.; Guo, Y.; Shen, A.; Yuan, Z.; Li, S.; Qing, F-L.; Ye, X.*; You, Z.*; Zhao, Q.* Elastic 3D printed hybrid polymeric scaffold improves cardiac remodeling after myocardial infarction Adv. Healthc. Mater. 2019, 201900065.

  链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adhm.201900065

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