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
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。
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]。
2.1 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。
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。
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A
1002-2376(2015)01-0019-03
胥光申,E-mail:xuguangsheng@sohu.com
2014-11-02