屈海兵，胥光申(通訊作者)

(西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安710048)

微流道軟組織支架研究進(jìn)展

屈海兵，胥光申(通訊作者)

(西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安710048)

血管化是體外再生大型組織器官的一個必要條件，它要求三維支架內(nèi)部必須要有導(dǎo)通的微流道網(wǎng)絡(luò)，因此研究具有微流道的三維軟組織支架，對體外構(gòu)建大型組織器官具有重要意義。近年來，利用各種先進(jìn)制造方法，實現(xiàn)了各種結(jié)構(gòu)、多種材料的三維微流道軟組織支架的制造。本文闡述了近幾年國內(nèi)外學(xué)者在微流道軟組織支架制造方面的研究進(jìn)展，并對其未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

組織工程;血管化;微流道;軟組織支架

0 引言

組織工程學(xué)(Tissue engineering)，也稱為“再生醫(yī)學(xué)”，綜合應(yīng)用了材料學(xué)、生命科學(xué)與工程學(xué)的基本原理及理論，通過體外培養(yǎng)構(gòu)建組織或器官的種植體，然后植入體內(nèi)，以達(dá)到再造或修復(fù)組織器官的目的［1］。軟組織工程是組織工程中一個重要的分支，這個領(lǐng)域的研究已取得很大的進(jìn)展，如尿道、皮膚和膀胱等一些較薄的組織或器官的修復(fù)或再造方面，已經(jīng)進(jìn)入臨床試驗階段［2-6］，這主要是因為這些器官或組織厚度較薄，細(xì)胞生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)通過滲透就可以得到滿足;而一些厚度或體積較大組織或器官的存活，需要復(fù)雜的血管網(wǎng)絡(luò)的支持，來滿足細(xì)胞的新陳代謝，例如肝臟的基本單元肝小葉，內(nèi)部是由中央靜脈、門微靜脈、肝微靜脈分支形成了復(fù)雜的三維血管網(wǎng)絡(luò)。所以，通過研究在三維軟組織支架內(nèi)部，構(gòu)建微流道網(wǎng)絡(luò)，模仿組織或器官內(nèi)真實的血管網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)血管化，為細(xì)胞的新陳代謝提供必需的條件，對于實現(xiàn)組織或器官的體外再生是十分重要的。

1 支架材料

組織工程的三要素為:細(xì)胞，生長信息與支架［1］。其中支架在組織工程當(dāng)中起著核心作用，不僅為細(xì)胞的生長提供結(jié)構(gòu)支撐，還有起著模板的作用，引導(dǎo)組織或器官的再生，最終降解并排出體外。制作軟組織支架的材料通常都是可降解的，主要分為天然材料和人工合成材料。膠原、明膠、殼聚糖、瓊脂糖、甲殼素與糖胺聚糖等都屬于天然生物可降解材料，與人工合成材料相比，具有良好的生物相容性、無毒性、可降解并產(chǎn)物無毒，與細(xì)胞外基質(zhì)相似等優(yōu)點［7］;人工合成材料主要有聚乳酸-羥基乙酸(PLGA)、聚乙酰內(nèi)酯(PVLA)、聚ε-己內(nèi)酯乙烷基乙烯基磷酸鹽共聚物(PCLEEP)等，其成本低，來源穩(wěn)定，可根據(jù)不同組織需求，人為地調(diào)整結(jié)構(gòu)，可適用于較多的制備技術(shù)，且具有優(yōu)良的機(jī)械性能、可加工性、生物相容性及可變的物化性能［8］。

2 微流道軟組織支架制作方法(以主要技術(shù)手段劃分)

2.1 光固化成型

光固化成型技術(shù)是一種通過一定波長的紫外光照射，使光敏材料從液態(tài)聚合成固態(tài)的一種光加工工藝，其本質(zhì)是光引發(fā)材料的聚合、交聯(lián)反應(yīng)。Sivashankar和Nikkhah等［9，10］使用PEG-DA溶液或甲基丙烯酰胺改性明膠(GelMA)光敏材料，利用光固化掩膜法制造出具有流道結(jié)構(gòu)的支架，其原理為在材料上部放置掩膜板，利用掩膜板控制微流道結(jié)構(gòu)的成型，在掩膜板下方透光部分溶液受光照固化，不透光部分保持不變，最后得到具有微流道結(jié)構(gòu)的支架，該方法目前只能制造出一層流道結(jié)構(gòu)，很難制造出具有復(fù)雜血管網(wǎng)絡(luò)的三維支架，且制造效率低;Seck等［11］以可降解的聚乙二醇和聚D，L-乳酸為材料，利用光固化快速成型方法，制造出的三維多孔水凝膠支架，且具有良好的機(jī)械性能、孔隙連接性和生物相容性，該方法將光固化與快速成型技術(shù)相結(jié)合，提高了支架的成型精度與制造效率。

2.2 微制造技術(shù)成型

微制造技術(shù)是一種精細(xì)加工方法，能夠在支架上成型設(shè)計好的流道結(jié)構(gòu)，精度較高。朱琳等［12］使用光固化成型機(jī)，制造出具有微流道結(jié)構(gòu)的樹脂支架，通過微復(fù)型技術(shù)翻模得到硅膠模具，在以瓊脂糖/膠原復(fù)合制造單層支架，通過層層疊加得到三維支架。Huang［13］等通過流體動態(tài)分析，獲得微血管流動參數(shù)模型，利用雙層PDMS基板和AZ P4620光刻膠，采用光阻劑回流技術(shù)，獲得圓柱型仿生血管管道結(jié)構(gòu)，再通過微復(fù)型技術(shù)得到具有圓形流道的水凝膠支架，該技術(shù)可制造出不同直徑的微流道，并形成連續(xù)的血管網(wǎng)絡(luò);Bettinger等［14，15］以硅板或PDMS為模具，利用光刻技術(shù)，在其表面刻出流道結(jié)構(gòu)，以人工合成材料和絲素蛋白為材料，制造出具有微流道結(jié)構(gòu)的支架，然后通過層層疊加形成具有出口和入口血管網(wǎng)絡(luò)流道的三維支架。利用微制造技術(shù)制造的單層薄片支架，通過疊加形成多層支架，該方法可以擴(kuò)大軟組織支架制造中材料的選擇范圍，或通過先制造單層支架再組裝形成三維支架，其應(yīng)用也越來越廣泛，但層間結(jié)合強(qiáng)度有限，而且單層支架的機(jī)械性能差，組裝后支架內(nèi)部立體流道網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和連續(xù)性難以保證。

2.3 三維打印技術(shù)成型

三維打印技術(shù)首先是由麻省理工學(xué)院成功開發(fā)，并很快用于組織工程支架的制備。三維打印技術(shù)制備支架時，打印噴頭依次“打印”出支架材料和粘合劑(通常為溶劑)，在計算機(jī)控制下，按預(yù)定程序逐層打印，即形成三維支架。三維打印技術(shù)已被應(yīng)用到生物制造和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，現(xiàn)已有研究通過三維打印技術(shù)制出造血管或其它組織器官［16，17］。Miller等［18］使用多糖材料，利用三維打印機(jī)打印出管狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以此作為消失模，同時為防止多糖溶解時影響外部基質(zhì)環(huán)境，在消失模外層涂覆一層聚乳酸-羥基乙酸共聚物，然后將水凝膠材料倒入模具當(dāng)中，使其凝固，在加熱使多糖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)溶解消失，最終得到具有微流道的水凝膠三維支架;顏永年［19］等以殼聚糖/明膠為材料，采用三維打印技術(shù)直接制造出三維支架，其內(nèi)部流道為圓柱形，孔徑約為100～300μm，但是制造的流道結(jié)構(gòu)保持較差，結(jié)構(gòu)不規(guī)則。三維打印技術(shù)與僅適用于特定生物材料的成型方法相比較，它幾乎適用于所有膏狀生物材料，為構(gòu)建組織支架提供了更多的可能和選擇，而且能夠成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)［20］，但制作支架使用材料多為天然生物材料，如膠原、明膠等，強(qiáng)度不高，結(jié)構(gòu)保持性較弱，發(fā)展具有高強(qiáng)度生物材料支架的三維打印技術(shù)，正成為軟組織支架制作及其血管化的研究熱點。

2.4 其他成型方法

除上述方法外，制作具有微流道結(jié)構(gòu)的軟組織支架還有一些其他的方法。如Wong等［21］在PDMS中插入安特定順序排列的針頭，注入纖維蛋白凝膠，凝固后取出針頭，從而得到具有流道的支架，該方法具有成本低，操作簡單的優(yōu)點;王燁等［22］結(jié)合使用分層制作技術(shù)、微壓印技術(shù)和冷凍干燥技術(shù)，設(shè)計制造了三維分層壓印成型機(jī)，使用該成型機(jī)，以絲素蛋白為材料，最終得到具有微流道系統(tǒng)的三維支架，該方法使用成型機(jī)自動加工成型支架，提高了支架的制作精度與制造效率;毛茅等［23］以絲素蛋白和明膠混合溶液為支架材料，將其灌注到應(yīng)用快速成型技術(shù)制備的支架模具中，脫模之后冷凍干燥處理，經(jīng)過卷裹后，得到三維支架，該方法操作簡便，但成形結(jié)構(gòu)單一，制作效率較低。

3 展望

目前，在組織工程領(lǐng)域中，微流道軟組織支架的成型方法眾多。現(xiàn)從材料、微流道結(jié)構(gòu)和成型技術(shù)三方面對微流道軟組織支架的研究進(jìn)行展望:

(1)材料。支架材料種類繁多，各具優(yōu)缺點，但目前還沒有一種材料能夠完全符合軟組織支架材料的要求。由于軟組織對細(xì)胞外基質(zhì)要求比較高，而天然生物材料與細(xì)胞外基質(zhì)相似，適合制造軟組織支架，較其他材料更具優(yōu)勢，但天然生物材料強(qiáng)度不高，因此應(yīng)用聚合或者化學(xué)修飾等手段對支架材料進(jìn)行處理，從而改善其機(jī)械性能與生物學(xué)特性，這將是今后軟組織支架材料研究的主要方向。

(2)微流道結(jié)構(gòu)。隨著各種先進(jìn)制造技術(shù)的日趨發(fā)展成熟，微流道結(jié)構(gòu)支架的制造可以通過各種方式實現(xiàn)。然而流道截面結(jié)構(gòu)往往多是方形，但這與人體近似圓形的血管截面并不相同，而且圓形流道與方形流道，在流體剪應(yīng)力和對細(xì)胞誘導(dǎo)生長方面，有很大的不同［24］。如何在支架當(dāng)中制造出復(fù)雜、可控的圓形截面的微流道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將是一個難點，也將是血管化研究中的一個突破點。

(3)成型技術(shù)?？焖俪尚图夹g(shù)具有成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造優(yōu)勢。光固化快速成型技術(shù)和三維打印技術(shù)等快速成型方法，已成為微流道組織支架制造的重要手段，并將得到更全面、更快速的發(fā)展。

［1］杜娟，王佃亮，張艷梅，等．組織工程面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢［J］．中國生物工程雜志，2011，(06)．

［2］Groeber F，Holeiter M，Hampel M，et al．Skin tissue engineering—In vivo and in vitro applications［J］．Advanced Drug Delivery Reviews，2011，63(4–5):352 -366．

［3］Vatansever HS，Uluer ET，Aydede H，et al．Analysis of transferred keratinocyte-like cells derived from mouse embryonic stem cells on experimental surgical skin wounds of mouse［J］．Acta Histochem，2013，115(1):32 -41．

［4］Raya-Rivera A，Esquiliano DR，Yoo JJ，et al．Tissueengineered autologous urethras for patients who need Reconstruction:anobservational study［J］．Lancet，2011，377(9972):1175-1182．

［5］Atala A．Tissue engineering of human bladder［J］．Br Med Bull，2011，97:81-104．

［6］張安兄，呂德龍，鐘偉，等．天然生物材料構(gòu)建組織工程支架的研究進(jìn)展［J］．北京生物醫(yī)學(xué)工程，2005，24(05):387-389．

［7］袁磊，閻玉華．肝組織工程材料的研究進(jìn)展［J］．化工中間體，2007，(01):1-4．

［8］Sivashankar S，Puttaswamy SV，Lin L-H，et al．Culturing of transgenic mice liver tissue slices in three-dimensionalmicrofluidic structures of PEG-DA(poly(ethylene glycol)diacrylate)［J］．Sensors and Actuators B: Chemical，2013，176(0):1081-1089．

［9］Nikkhah M，Eshak N，Zorlutuna P，et al．Directed endothelial cellmorphogenesis inmicropatterned gelatinmethacrylate hydrogels［J］．Biomaterials，2012，33:9009 -99018．

［10］Seck TM，Melchels FP，F(xiàn)eijen J，etal．Designed biodegradable hydrogel structures prepared by stereolithography usingpoly(ethylene glycol)/poly(D，L-lactide)-based resins［J］．Journal of Control Release，2010，148(1):34-41．

［11］朱琳，賀健康，劉亞雄，等．瓊脂糖/膠原復(fù)合水凝膠的制備及性能研究［J］．西安交通大學(xué)學(xué)報，2013，47(10):121-126．

［12］Huang Z，Li X，Martins-Green M，et al．Microfabrication of cylindricalmicrofluidic channel networks for microvascular research．Biomed Microdevices，2012，14:873-883．

［13］Bettinger CJ，Weinberg EJ，Kulig KM，etal．Three-Dimensional Microfluidic Tissue-Engineering Scaffolds U-sing a Flexible Biodegradable Polymer［J］．Advanced Materials，2006，18(2):165-169．

［14］Bettinger CJ，Cyr KM，Matsumoto A，et al．Silk Fibroin Microfluidic Devices［J］．Advanced Materials，2007，19(19):2847-2850．

［15］王雪瑩．3D打印技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前景預(yù)見［J］．創(chuàng)新技術(shù)，2012，11(12):3-5．

［16］黃健，姜山．3D打印技術(shù)將掀起“第三次工業(yè)革命”［J］．新材料產(chǎn)業(yè)，2013，15(1):62-67．

［17］Miller JS，Stevens KR，Yang MT，et al．Rapid casting of patterned vascular networks for perfusable engineered three-dimensional tissues［J］．Nature Mat，2012，11:768-774．

［18］Yan Y，Wang X，Pan Y，et al．Fabrication of viable tissue-engineered constructs with 3D cell-assembly technique［J］．Biomaterials，2005，26(29):5864 -5871．

［19］Wong KH，Truslow JG，Khankhel AH，et al．Artificial lymphatic drainage systems for vascularized microfluidic scaffolds［J］．Journal of Biomedical Materials Research Part A，2013，101(8):2181-2190．

［20］Yan Y，Wang X，Pan Y，et al．Fabrication of viable tissue-engineered constructs with 3D cell-assembly technique［J］．Biomaterials，2005，26(29):5864 -5871．

［21］Yongxiang Luo，Ashwini Rahul Akkineni，Anja Lode，et al．Three-dimensional plotting is a versatile rapid prototyping method for the customized manufacturing of complex scaffolds and tissue engineering constructs［J］．Chinese Journal of Reparative and Reconstructive Surgery，2014，(28)3:404-410．

［22］王燁，賀健康，劉亞雄，等．三維微流道支架直接壓印成形方法［J］．西安交通大學(xué)學(xué)報，2012，46 (10):116-120．

［23］毛茅，劉亞雄，李滌塵，等．卷裹型絲素蛋白/明膠肝組織工程支架［A］．第七屆全國康復(fù)醫(yī)學(xué)工程與康復(fù)工程學(xué)術(shù)研討會論文集［C］．2010．

［24］James P．Camp，Tracy Stokol，Michael L．Shuler．Fabrication of a multiple-diameter branched network ofmicrovascular channelswith semi-circular cross-sections using xenon difluoride etching［J］．Biomed Microdevices，2008，10:179-186．

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A

1002-2376(2015)01-0019-03

胥光申，E-mail:xuguangsheng@sohu．com

2014-11-02