血管/肌肉共生軟組織支架的光固化增材製造

《血管/肌肉共生軟組織支架的光固化增材製造》是依託西安交通大學，由連芩擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：血管/肌肉共生軟組織支架的光固化增材製造
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：連芩擔
• 依託單位：西安交通大學

項目摘要

現代醫學對幾乎全部人體組織與器官的替換移植術推動著再生醫學的發展，但目前人體捐贈組織器官並不能滿足臨床需求，而向新興產業發展的人工移植組織與器官亟待解決血管化和複雜結構支架製造的困難，並成為再生醫學和生物製造等交叉學科研究的熱點。增材製造憑藉其快速製造複雜結構體的能力，成為附帶血管網的人工移植組織與器官生物製造手段的重要研究方向。本項目提出結合光固化水凝膠的合成工藝，精確地製造血管/肌肉共生軟組織支架的光固化增材製造方法。以人體血管和骨骼肌的組織結構和力學特徵為基礎，建立人工軟組織支架的血管/肌肉共生模型；研究細胞、生物因子與光固化水凝膠的組裝方法，多材料鋪放系統和變參數加工工藝，構建細胞/水凝膠複合光固化實驗平台；研究人工軟組織支架的光固化精密成型原理和製造工藝。本項目不僅是增材製造在移植和再生醫學領域的套用基礎研究，也是增材製造拓展水凝膠等軟材料/多材料成型與高精度設備的基礎理論研究。

結題摘要

現代醫學的組織與器官移植術已經取得巨大成功，但大塊移植組織的血管化，特別是人工軟組織製造及其血管化卻是移植修復能否成功的關鍵。本課題以動脈大血管和骨骼肌為研究對象，分析其高細胞量和複雜結構的特點，重點開展了以多細胞與水凝膠為核心的血管/肌肉共生人工軟組織仿生設計方法、生物3D列印裝備體系、生物墨水與細胞3D列印工藝、多細胞共生體外培養體系及其評價方法研究，解決了以血管/肌肉共生為代表的人工軟組織體的仿生設計、無縫結合的多層水凝膠/細胞複合3D列印成型機理的關鍵問題。在仿生設計上，建立了參數化的仿生血管與血管網模型、血管/肌肉共生模型、薄膜固定式帶流道仿生肌肉支架模型；確定了以營養物質的均勻遞送為最佳化目標，建立了仿生血管網結構與氧氣擴散、細胞生長需求的定量化關係和血液流體動力學計算方法及最佳化原則。在製造體系上，搭建和完成了3套自動化生物3D印表機和1套動態灌流的體外培養實驗平台；形成了以明膠、藻酸鹽、聚乙二醇、GelMA水凝膠為主的細胞墨水配製與成膠方法，可用於血管、肌肉、皮膚的細胞3D列印。在人工血管/肌肉共生軟組織的製造與組織工程化上，建立了活性維持時效性的參數指標體系，形成了基於結構精度的活性軟組織支架的細胞列印工藝與最佳化方法。實驗結果證明其細胞存活率不低於90%，可滿足複雜結構組織的列印需求；且相比於力刺激和動態灌流，人工軟組織內的血管尺寸和角度是細胞分化和類血管形成的重要影響因素。本課題將所開發的細胞3D列印技術與軟組織缺損光刀掃描技術結合，通過面向列印軌跡需求的點雲數據簡化算法和設備的機器操作對接方法，形成了原位列印的自動化集成技術，已開展的軟組織修復和原位列印實驗顯示，其有可能為臨床醫學提供新的治療模式。本課題已有研究成果包括申請專利21項（已授權10項），發表期刊文章19篇（SCIE/SSCI文章10篇，EI文章4篇，CSSCI文章1篇），培養研究生11名（博士生2名，碩士生9名，已獲得學位8名）。