3D打印增韧纳米纤维人工角膜的构建及其高仿生个性化机制研究

Corneal disease is a global important cause of blindness, but keratoplasty is severely restricted by corneal donor deficiency and the immune rejection after surgery. Keratoprosthesis is an important method to solve the above problems, but with low degree of bionics and lack of personalization. In previous study, we developed a new type of nanofiber reinforced composite membrane, with characteristics of high bionic nano-porosity and transparent. It also possesses the human cornea optical and mechanical properties. Three-dimensional (3D) printing technology can realize the tridimensional structure of personalized micro regulation. Therefore, in this study, we propose to construct a tridimensional corneal stroma on the basis of the modified electrospinning technique, and to develop a highly bionic keratoprosthesis by 3D printing. Further investigate the biological behavior of corneal cells in the 3D printing micro structure prepared by electrospinning, and study the biocompatibility of the new type of keratoprosthesis in vitro and in vivo experiments. The effects of keratoprosthesis on the process of epithelial cell proliferation, biological healing, inflammatory repair, cellular immune, and their possible molecular mechanism will all be thorough explored through micromorphology and cell biology, in order to reveal the mechanism of vantages of the newly designed bionic and personalized keratoprosthesis. The study will open up a new situation for the corneal substitutes with personalized high bionic design, in addition, it will break new ground in development of precision and multifunction in future.

角膜病是全球范围重要的致盲眼病，而角膜移植受到角膜供体严重匮乏和术后排斥的制约。人工角膜是解决上述问题的重要手段，却存在仿生性和个性化的不足。申请人前期利用自主改良静电纺丝技术，构建了增韧纳米纤维复合膜，透明度高，机械性能好，同时具备基质规则有序、边缘多孔、生物性能佳等仿生角膜基质的特点。3D打印技术可实现个性化微观调控的三维结构构建，故本项目拟在改良电纺技术基础上构建三维角膜基质，结合3D打印制备高仿生人工角膜。探索基于静电纺丝的3D打印微结构对角膜细胞生物学行为作用规律，阐明新型人工角膜在体外细胞和动物模型实验中的生物相容性；进一步通过微观形态学、细胞生物学技术探究其对促上皮化、生物愈合、炎症修复、细胞免疫过程的影响及分子机理，揭示新型人工角膜高仿生和个性化优势的机制。该研究开启了角膜替代物个性化高仿生设计的新局面，为将来向精准化、功能化发展发挥重要的推动作用。

人工角膜（KPro）是缓解同种异体角膜供体严重匮乏的重要手段，但目前主流设计一方面存在仿生性不足，与受体组织连接的“裙边”也常由于机械性和组织相容性不良而发生自发性脱位等并发症；另一方面，植片无法满足复杂的角膜病损形态的个性化需求。本课题正是针对这些短板设计了透明、内部有序取向、边缘多孔隙和功能化表面特性的纳米纤维增韧膜，作为高仿生KPro基质支架，并利用3D 数据化建模平台加载于静电纺丝系统，实现个性化3D打印KPro。.第一部分，针对生物相容性研究了PCL作为基材，利用静电纺丝平台和纳米纤维增韧技术，经“层层沉积”和“自动化后处理”得到3D纳米纤维膜。优化流程工艺并监测膜表面理化性质（扫描电镜、原子力显微镜、表面接触角），和机械性能（强度、硬度、拉伸变量、应力应变曲线）；通过体外模拟人角膜微环境进行细胞学检测证实膜材料的良好生物性能。.第二部分3D-MAX 建模技术转化建模；针对角膜病灶区域设计实现精准打印修复方案（明确各项参数如病灶范围、深度和厚度等）整合建模。调整、优化打印速度、精度、层厚度等，经3D打印平台获得基质模型。针对新型KPro表面形态及边缘微孔隙结构设计，观察差异化打印微结构对细胞活性的影响，以及对微环境内细胞粘附、移行、增殖的作用；明确了 3D 打印微孔隙构型良好的组织细胞相容性。.第三部分建立动物模型，评价新型KPro术后的兔眼内生物相容性。观察术后炎症反应及植片愈合：角膜植片透明度及上皮化，眼前节炎症反应及角膜排斥反应程度；监测术后常见并发症。取材后，进行KPro表面和内部形态学观察，经HE和免疫组化，超微结构观察，评价新型KPro在兔眼内对促上皮化、生物愈合、炎症修复和细胞免疫的调控机制。结果显示新型Kpro支架具有高韧度、高仿生特性，3D打印技术可精确控制基质内部孔径，使其具有高穿通性和良好的生物整合力，有望提高KPro生物相容性，减少术后并发症。 ..本研究对KPro基材、个性化制备工艺进行了初步有益的改良，探索了角膜替代物高仿生设计新征程。