研究人员开发出3D打印网状生物材料支架可用于软组织修复的炎症调节

来源：江苏激光联盟

据悉，来自贝勒医学院、莱斯大学的研究人员开发了一款可用于软组织修复的炎症调节的3D打印网状生物材料支架(bioscaffold)。

软组织损伤是由于肌肉或结缔组织的弱化或破坏而发生的。最常见的软组织损伤如疝气。疝气是由腹壁薄弱、有缺陷和受伤的区域引起的。这造成了腹内脏器可能突出的缺陷。疝的最常见类型是切口疝、腹股沟直疝、股疝、新生儿脐疝和食管裂孔疝。疝气的修复是通过外科植入人工网膜来牢固地支撑和加固受损的腹壁并促进愈合过程(图1A, B)。每年，要进行超过40万例腹壁切口疝修补手术，美国医疗保健费用约为150亿美元。

图1. 生物支架设计和疝气修复手术。

▲图解：(A)示意图，显示内部器官通过腹疝突出。(B)外科植入网以加强腹壁。(C–E)示意图描述了生物支架调节腹膜粘连形成的机制。(C)损害腹膜间皮层，其中分泌了带正电的促炎细胞因子。(D)通过连接腹膜层和内脏器官的间皮形成粘附。(E)植入带负电的生物支架以在手术创伤后从受损的腹膜捕获带正电的促炎细胞因子。

疝气手术局限性
人工疝网植入物是使用合成材料、生物材料和涂层材料开发的。尽管这些网状植入物具有其特殊的优势，但在减少潜在的不良术后并发症方面不是十分有效。用网状植入物进行的疝气手术修复大多是由于人工网膜植入后内脏粘连，硬化和网状收缩而失败。内脏粘连是从胃、肠或结肠的下层浆膜形成的纤维组织，其附着在植入的网片上。这些粘附主要由胶原蛋白和成纤维细胞组成，它们生长在网格上并粘附在附近的组织、神经和器官上。随着粘连的增加，网孔缩小，疤痕组织变硬，从而形成坚硬的纤维团，可能引起慢性疼痛、肠梗阻、肠瘘、不育、生活质量差变和疝气手术修复失败。为了去除失败的人工网膜，需要进行复杂的手术，其中网必须从膀胱、胃、肠、结肠或主要血管上剥离，这可能会对临床结果产生不利影响。为了最小化粘附形成，移植物收缩和异物反应，已经开发了可吸收的和生物的人工网膜。但是，这些人工网膜由于疝的复发率很高而没有显着效果。

来自贝勒医学院、莱斯大学的研究人员介绍了一种用于软组织修复并且可充当炎症调节系统的3D制造生物材料支架（bioscaffold），从而最大程度地减少组织与网片的粘附，从而减少疼痛和手术失败。研究人员证明了其在大鼠腹疝模型中的体内功效。手术几天后，在植入网的地方出现了称为细胞因子的炎性介质。由于存在赖氨酸和精氨酸氨基酸，植入物中的某些主要细胞因子IL1-β，IL6和TNF-α具有正表面电荷。

图2. 生物支架的制造和表征

▲图解：(B). 3D打印的生物支架。(C–E). 3D打印的生物支架展示了其柔韧性

对于本研究中的生物支架制造，通过3D打印制造了具有原位磷酸酯交联的聚乙烯醇聚合物（X-PVA）的生物支架。X‐PVA是由PVA与三偏磷酸钠(STMP)在室温下反应合成的。PVA是形成水凝胶的合成聚合物，通常用作药物赋形剂和制造药物输送系统。研究人员使用了内径为0.15毫米，长度为6.35毫米，针压为0.17兆帕，针筒体积为10毫升的32号针头。印刷4、6、8、10和12层生物支架，并测试其弹性模量。基于这些研究，将八层的生物支架用于体内实验。

研究人员在实验室中证实，这种Biomesh可以捕获带正电的细胞因子（如下图）。受这些结果的鼓舞，研究人员在大鼠疝气修复模型中测试了Biomesh，并将其与临床上广泛用于外科疝气修复的网格进行了比较。

图3. 生物支架充当炎性细胞因子捕获表面

▲图解：(B–G). 明场和荧光的叠加，以及荧光共聚焦显微镜图像，证明：(B)在生物支架表面上不存在细胞因子的情况下，抗体珠不结合；(C)与吸附在生物支架上的TNF-α结合的TNF-α抗体珠；(D)与结合于生物支架表面的IL-1α结合的IL-1α抗体珠; (E)与吸附在生物支架表面的IL-6结合的IL-6抗体珠; (F)与MIP-1α结合的MIP-1α抗体珠吸附在生物支架表面上; (G)与吸附在生物支架表面上的VEGF结合的VEGF抗体珠。

图4. 生物支架在小鼠皮肤伤口模型中从伤口组织中捕获促炎细胞因子。

▲图解：(A–C)呈现未经处理的皮肤伤口(A)，植入PROLENE网格的皮肤伤口(B)和植入生物支架的伤口的照片（用镊子提起生物支架的边缘以显示存在 生物支架在皮肤伤口中）(C)

为了评价这种新型生物支架在防止粘连形成方面的功效，将其植入大鼠腹疝模型。为了比较bioscaffold的疗效，商业聚丙烯(PROLENE)网被用作对照，因为它在外科疝修复的临床应用广泛。在植入4周后，从大鼠体内取出涂有聚乙烯醇的网片，检查内脏粘连的形成。在这些回收的网片上，没有观察到粘连形成，甚至在4周后缝线仍清晰可见，从而证实防粘连是X‐聚乙烯醇聚合物特有的特性。这些结果证实了bioscaffold在防止这种新型疝修复材料的内脏粘连形成方面非常有效。

图5. 生物支架在大鼠腹疝模型中的手术植入后预防内脏粘连形成的功效。

▲图解：(A)PROLENE网片，(B,C)植入2周和4周后取回PROLENE网片，表明形成广泛的内脏粘连。(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网的H＆E染色横截面。黑色箭头指向植入网的位置，红色箭头指向内脏粘连。(H)植入2周后，生物支架的H＆E染色横截面。黑色箭头指示植入的生物支架的位置，蓝色箭头指示不存在内脏粘连和新的腹膜层形成。(I，J)2和4周后H＆E染色的生物支架外植体横截面的高倍放大图像，表明在生物支架表面上形成了腹膜层。

目前还没有这种多功能的复合生物网，开发一种广泛适用的生物网将是外科修复的一大进步疝气和其他软组织缺陷。在该方法被应用到临床之前，研究人员正在进行进一步的临床前研究。构建生物网格具有高度的可再现性、可扩展性和可修改性。

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