基于复合四喷头3D打印技术的血管化脂肪组织实验研究

In this project, we are going to study the vascular system and adipose tissue arrangements in human breasts, to develop one combined four-nozzle 3D cell printing machines, to construct implantable vascularized adipose tissues to solve the blood supply problems in large scale adipose tissue engineering or organ manufacturing products based on our former one- and two-nozzle three-dimensional (3D) cell printing techniques, blood vessel tissue engineering, adipose tissue engineering and organ manufacturing techniques, to study the optimal cell printing scaffolds/matrices, cell types, growth factors, vascular anastomosis methods, biocompatibilities and biodegradation abilities of the implantable biomaterials, cell growth and tissue regeneration capabilities, interaction mechanisms of the implants and animal bodies through in vitro and in vivo experiments, and to adjust the material components for cell printing, the shapes and sizes of the 3D constructs, and the orientations and arrangements of the branched vascular networks. It is a basic research for complex breast manufacturing with the realization of large scale vascularized adipose tissue repair and regeneration purposes.

本项目在现有的单、双喷头细胞三维打印 (3D) 技术、血管组织工程、脂肪组织工程和器官制造技术研究的基础上，针对大尺度范围内血管化脂肪组织工程和器官制造产品血液供应这一技术瓶颈问题，研究人体乳房中血管和脂肪组织的排布规律，开发一至两套复合四喷头细胞3D打印设备，构建可体内植入型血管化脂肪组织三维结构体。通过动物体内外实验研究最佳细胞打印支架/基质材料、细胞种类、生长因子的用量和配比，植入体与乳房中血管系统的连接方式，植入材料的生物相容性和生物降解性，植入细胞在体内的生长能力和组织器官再生情况, 植入物与机体的相互作用和影响机制。通过动物体内外实验结果调整打印材料的成份、比例，三维结构的形状、尺寸以及分支血管的走向、排列等，实现大尺度血管化脂肪组织的动物体内再生修复，为复杂器官乳房制造奠定基础。

针对大尺度血管化脂肪组织体外快速构建瓶颈问题，自制了具有自主知识产权的复合四喷头三维（3D)打印设备，研究了大直径血管外围的支架材料，脂肪干细胞受控成形的基质材料、生长因子种类，建立了脂肪组织的计算机模型图及血管内血液传输的数学模型，分离了大鼠脂肪干细胞，并将其在3D结构中的定向诱导、分化为内皮细胞、组织，脂肪细胞、组织、平滑肌细胞、组织，确定了快速成形制备血管化脂肪组织的材料、结构和成形工艺，通过物理和化学交联法使成型后的细胞/基质层3D结构长期稳定，利用自制的生物反应器使血管化的细胞/基质层具备一定的机械强度，完成了几组血管化脂肪组织的体外培养、理化表征。发表了10篇SCI收录论文并标注基金号，两本英文专著中的两章。获得三项国家发明专利。通过本项目的实施，使困扰组织工程、生物材料、药物筛选、病理分析等几大热门领域70多年的所有技术瓶颈问题得以有效解决，尤其涉及到分支血管、神经网络的抗凝血性、抗缝合性等技术难题，使人类生活质量和平均寿命可望在近年内大幅度提高。