载药缓释型仿生软组织替代物的拓扑结构设计及3D打印重构

Due to the current postoperative issues of physiological structure defect, infection and recurrence of diseases, and the lack of personalized functional soft tissue substitutes, we herein propose the construction of biomimetic soft tissue substitutes with drug sustained-release function. In this project, the scientific problems among topological structure design, 3D printing and drug sustained-release model will be systematically studied. We will focus on the reconstruction of biomimetic cardiac valves, anus and cervix uteri based on the individual clinical data. The drug sustained-release in biomimetic soft tissue constructs will be controlled by gradient porous structure design, of which the rapid manufacture will be achieved through the study of biomaterial and 3D printing. Finally the drug sustained-release model of biomimetic soft tissue substitutes will be established via the optimization of material properties and the study on the mechanism of drug release control in the gradient porous structure. The drug-released biomimetic soft tissue substitutes constructed by this project could simultaneously solve the core issues of physiological structural repair and functional rehabilitation. It provides a new clinical treatment strategy for the reconstruction of defect tissues in the future, and has a broad application prospect.

本项目基于临床术后遗留的组织生理结构缺损、易诱发感染、病灶复发等现状，针对个性化功能性仿生软组织研究的稀缺和瓶颈，提出构建具有药物缓释功能的仿生软组织替代物，对拓扑结构设计、3D打印制造和药动缓释模型之间的系统性科学问题展开研究。以心脏瓣膜、肛门、宫颈的临床数据为基础，进行病损组织个性化仿生重构；通过具有多级孔道结构分布的拓扑体设计，实现仿生软组织替代物中药物的缓释控制；通过生物材料体系的研究及3D打印，实现仿生重构体的快速制造；通过材料性能的优化、梯度多孔结构内药物释放控速机理研究，最终建立仿生软组织替代物的药物缓释模型。本项目构建的载药仿生软组织替代物，将通过个性化组织修复及药物缓释，同步解决病损结构的重塑和对原位组织功能性的持续修复两方面问题，为未来病损组织重建的临床治疗新策略提供理论指导，具有广阔的应用前景。

心血管疾病、结直肠癌、宫颈癌已是世界范围内高发的致命疾病，其治疗通常需手术切除病患部位，而因手术切除带来的组织损失无法再生，并存在一系列术后并发症如易诱发感染、病灶复发等，对患者造成极大负担。因此，术后遗留的病损组织结构重塑和功能修复,是临床后续治疗重点关注的两大关键问题。针对上述问题，本项目开展了具有药物缓释功能的软组织仿生替代物重构研究，以病损组织临床数据为基础，基于3D打印技术在空间组装、材料组装、个性化制造等方面的优势，实现载药缓释型仿生软组织替代物的构建，对拓扑结构设计、3D打印重构和释放动力学模型之间的系统性科学问题展开研究，同步实现病损结构重塑和对原位组织功能性的持续修复。项目具体以心脏瓣膜、人造直肠和宫颈组织为研究对象，从其替代物的拓扑结构设计出发，根据临床数据建立三维重构体和计算机数字模型，并通过聚氨酯多孔支架的低温沉积 3D打印和PEGDA-海藻酸钠双网络水凝胶的光固化打印实现仿生替代物的制造。打印构建的仿生软组织替代物的力学、毒性、细胞相容性测试证明其满足修复病损部位的需求。药物释放动力学结果表明，不同的药物加载方式和模型拓扑结构设计对于药物缓释有较大的影响。本项目建立的个性化仿生软组织替代物药物缓释动力学模型，能够较好的预测药物与生物材料混融3D打印的不同工艺路线对应的缓释时长，可适应不同的应用场景，对其他类似研究有较高的参考价值。