生物打印在神经外科领域中的研究进展(2)
(三)神经组织再生
神经系统在机体内对生理功能活动的调节起主导作用,由于神经损伤的多样性和病例改变的复杂性,传统的神经康复治疗效果并不理想,功能恢复不佳。神经导管的制作方法比较多,包括模具法、编织技术、静电纺丝、溶剂挥发等多种方式,但是对于理想的神经导管构建要素应当考虑材料组分、模拟自体结构以及最佳的种子细胞等。生物3D打印技术能够适用于多种材料和细胞的打印,尤其在微观结构上能够实现更加精细的仿生制造。2016年四川大学华西医院苟马玲团队通过一种3D生物打印技术制备出可用于周围神经再生修复的神经导管。该生物导管由聚合的明胶甲基丙烯酰基(cryo gelat in methacryloyl,cryoGelMA)凝胶和脂肪来源的干细胞(adipose derived stem cells,ASCs)组成,通过使用3D打印的“锁和钥匙”模具进行建模,cryoGelMA凝胶被构设计多通道、分叉型以及个性化定制结构等具有不同几何形状的导管,体外实验以及植入到缺损长度为10 mm大鼠坐骨神经缺损处,发现cryoGelMA在体内2~4个月可完全降解,研究在术后不同时间点下大鼠模型的步行轨迹进行分析,证明cryoGelMA和ASCs实验组的生物导管具有较强的神经再生能力,在功能和组织学评估方面的结果更加接近自体移植物[15]。2017年日本京都大学的Hirofumi Yurie研究团队率先利用生物3D打印技术实现神经再生功能,通过采集人体皮肤提取成纤维细胞,培养出来细胞块,经生物3D打印制造出内径为2 mm,壁厚为500μm的筒状神经导管。通过实验鼠的对比实验发现,植入生物3D神经组织的实验鼠与健康实验鼠一样行走,并测量了老鼠的跖骨摆动、肌肉动作电位和神经细胞表达,研究表明完全由纤维细胞组成的无支架生物3D导管可以促进大鼠坐骨神经模型中的神经再生[16]。2017年5月,美国明尼苏达大学和普林斯顿大学等机构的研究人员发现首先利用3D扫描获得了小鼠坐骨神经的轮廓,然后再利用3D打印技术打造出了一个内含能够促进神经元再生的生长因子NGF或胶质细胞源性神经营养因子GDNF的硅酮类支架,通过手术将这种支架植入到缺损为10 mm的大鼠坐骨神经损伤处,经过10~12周的培养,大鼠受损的行动功能获得了明显改善,这一结果表明3D打印技术将在促进复杂神经元功能的恢复方面起到重要作用[17]。2019年美国Jacob Koffler团队应用生物3D打印技术,以PEG-GelMA为打印原材料,构建了具有白质和灰质结构的仿生大鼠脊髓模型,其中脊髓白质部分具有200μm孔径,灰质为实心固体结构,通过向支架中添加神经前体细胞后,观察移植后体内神经轴突再生和神经通路连通情况,发现受损的宿主脊髓再生的神经轴突生长进入到打印的仿生脊髓支架中,该方法构建的仿生脊髓支架可以实现受损部位星形胶质细胞与神经轴突的定向排列生长,为精准医学对脊髓神经再生修复提供了一种新的研究思路[18]。
(四)血管重建
全球心血管病患病率及死亡率呈逐年上升趋势,导致临床上对于人工血管的需求也日渐增多。理想的人工血管应当具有一定的力学强度、弹性以及植入后保持血管内部的通畅等特点。目前,大尺寸(直径≥6 mm)血管支架已在临床获得应用,常用的材料包括聚四氟乙烯、丝素蛋白、聚氨酯等,但是小尺寸(直径≤6 mm)血管,因植入后容易发生血栓以及血管内膜增生等使其在临床应用方面受到局限[19]。2014年,美国哈佛大学的Jennifer A.Lewis研究团队基于生物3D打印技术以GelMA为生物墨水制备出具有多通道结构的含成纤维细胞结构体,打印的多通道材料为F127,该材料具有在低温状态下呈现液态以及高温下固化等特点,打印完成后通过溶解去除其中的F127材料,使得结构体中富含大量的管状通道,通过向管道内壁中注入血管内皮细胞,细胞附着在通道内壁中自组装形成血管,该方法为血管化的多细胞组织研究提供了一种策略[20]。2019年Miller JS研究团队利用光固化生物3D打印技术构建了内部含有丰富复杂血管网络的水凝胶块,通过向通道中分别灌注氧气与脱氧红细胞,实现对红细胞的供氧仿生模拟人体肺泡结构;其中最小的血管直径为300μm[21]。人体组织中常含有丰富而密集的血管网络,主要是为组织内的活细胞提供氧气以及营养物质输送,所以血管化是组织工程与再生医学领域中的一个关键问题,对于器官打印,尤其针对大块组织的修复至关重要。目前,所制造的活性组织太小,制造用于器官修复或替换的大型组织,需要制造高细胞密度结构体以及血管化通道。2019年,Jennifer A.Lewis研究团队再次在血管化组织研究方面取得突破进展,研究发明SWIFT技术选用特异性诱导多功能干细胞并使用大规模的微孔阵列聚集形成高密度细胞团的器官堆积体OBBs,通过与Ⅰ型胶原和基质胶在0℃~4℃下混合离心形成高密度的细胞聚体,并使用生物3D打印技术在高密度细胞聚集体中构建网络通道,去除打印通道的材料进行灌注,从而在致密基质内部形成血管通道,并且这些通道的直径范围为400μm~1 mm[22]。该打印方法模拟了具有循环通道的高细胞密度和带血管化厚实组织的构建,进一步接近组织修复和再生的活体结构。
文章来源:《中国微侵袭神经外科杂志》 网址: http://www.zgwqxsjwkzz.cn/qikandaodu/2021/0304/479.html
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