血管/肌肉共生软组织支架的光固化增材制造

Modern medicine has covered almost all the transplantation of human tissue and organ replacements, which promotes the development of regenerative medicine. Whatsoever, the clinical demands cannot be fullfiled just depending on the human donors. The issues of vascularization and complex structural manufacturing for the artificial transplanted tissue and organs, the developing new industries, are the interdisciplinary research hotspots such as regenerative medicine and bio-manufacturing and so forth. Additive manufacturing with a rapid prototyping processing capability for complex structure components, provides a new promising means of bio-manufacturing for artificial transplanted tissue and organs with the designed vascular networks. This project proposes a stereolithographically additive manufacturing method integrated with the photocurable hydrogel synthetic process to manufacture vascular-muscle symbiotic soft tissue scaffolds. A vascular-muscle symbiotic model of artificial soft tissue scaffold based on the structural and mechanical characteristics of human vascular and skeletal muscles will be established, and the assembling method of cells, growth factors and photocurable hydrogel, multi-material laying system, and variable parameters processing system will be studied aiming to build the cell-hydrogel composite stereolithography experimental platform; the study of the stereolithography principle and manufacturing process of artificial soft tissue scaffold will be carried out as well. The project is not only the preliminary study for application of additive manufacturing in transplant and regenerative medicine field, but also the basic theoretical research on exploring soft, or multiple materials phototyping equipments with high precision.

现代医学对几乎全部人体组织与器官的替换移植术推动着再生医学的发展，但目前人体捐赠组织器官并不能满足临床需求，而向新兴产业发展的人工移植组织与器官亟待解决血管化和复杂结构支架制造的困难，并成为再生医学和生物制造等交叉学科研究的热点。增材制造凭借其快速制造复杂结构体的能力，成为附带血管网的人工移植组织与器官生物制造手段的重要研究方向。本项目提出结合光固化水凝胶的合成工艺，精确地制造血管/肌肉共生软组织支架的光固化增材制造方法。以人体血管和骨骼肌的组织结构和力学特征为基础，建立人工软组织支架的血管/肌肉共生模型；研究细胞、生物因子与光固化水凝胶的组装方法，多材料铺放系统和变参数加工工艺，构建细胞/水凝胶复合光固化实验平台；研究人工软组织支架的光固化精密成型原理和制造工艺。本项目不仅是增材制造在移植和再生医学领域的应用基础研究，也是增材制造拓展水凝胶等软材料/多材料成型与高精度设备的基础理论研究。

现代医学的组织与器官移植术已经取得巨大成功，但大块移植组织的血管化，特别是人工软组织制造及其血管化却是移植修复能否成功的关键。本课题以动脉大血管和骨骼肌为研究对象，分析其高细胞量和复杂结构的特点，重点开展了以多细胞与水凝胶为核心的血管/肌肉共生人工软组织仿生设计方法、生物3D打印装备体系、生物墨水与细胞3D打印工艺、多细胞共生体外培养体系及其评价方法研究，解决了以血管/肌肉共生为代表的人工软组织体的仿生设计、无缝结合的多层水凝胶/细胞复合3D打印成型机理的关键问题。在仿生设计上，建立了参数化的仿生血管与血管网模型、血管/肌肉共生模型、薄膜固定式带流道仿生肌肉支架模型；确定了以营养物质的均匀递送为优化目标，建立了仿生血管网结构与氧气扩散、细胞生长需求的定量化关系和血液流体动力学计算方法及优化原则。在制造体系上，搭建和完成了3套自动化生物3D打印机和1套动态灌流的体外培养实验平台；形成了以明胶、藻酸盐、聚乙二醇、GelMA水凝胶为主的细胞墨水配制与成胶方法，可用于血管、肌肉、皮肤的细胞3D打印。在人工血管/肌肉共生软组织的制造与组织工程化上，建立了活性维持时效性的参数指标体系，形成了基于结构精度的活性软组织支架的细胞打印工艺与优化方法。实验结果证明其细胞存活率不低于90%，可满足复杂结构组织的打印需求；且相比于力刺激和动态灌流，人工软组织内的血管尺寸和角度是细胞分化和类血管形成的重要影响因素。本课题将所开发的细胞3D打印技术与软组织缺损光刀扫描技术结合，通过面向打印轨迹需求的点云数据简化算法和设备的机器操作对接方法，形成了原位打印的自动化集成技术，已开展的软组织修复和原位打印实验显示，其有可能为临床医学提供新的治疗模式。本课题已有研究成果包括申请专利21项（已授权10项），发表期刊文章19篇（SCIE/SSCI文章10篇，EI文章4篇，CSSCI文章1篇），培养研究生11名（博士生2名，硕士生9名，已获得学位8名）。