3D生物打印新突破,！用于軟組織缺損的患者特異性大體積支架成為可能,！

來源： EFL生物3D打印與生物制造

外傷,、腫瘤切除和其他外科手術(shù)可造成皮膚、脂肪,、肌肉和其他結(jié)締組織的大面積軟組織損傷,，由于損傷面積太大往往無法自行愈合，導(dǎo)致疤痕形成和功能缺損,。其中,，高達53%的戰(zhàn)場創(chuàng)傷涉及四肢軟組織，每年與肌肉損傷相關(guān)的創(chuàng)傷和腫瘤切除重建手術(shù)高達數(shù)百萬例,。自體組織移植通常伴有供體部位病變,、功能喪失和移植失敗風險。此外,，在嚴重創(chuàng)傷中,，找到合適的供體也具有一定的難度。再生醫(yī)學(xué)通過增強人體自身修復(fù)能力,，為大體積軟組織損傷（VML）提供了一個新的突破口,。脫細胞的細胞外基質(zhì)（dECM）作為一種支持巨噬細胞和祖細胞浸潤的支架材料,，包含生長因子、細胞外囊泡和其他驅(qū)動骨骼肌生長,、血管化和神經(jīng)再生的促再生生物分子,，有望用于VML。然而,，目前制備這些dECM支架的方法局限于粉末,、薄片和弱水凝膠。對于復(fù)雜和較大的損傷,，這些技術(shù)都不足以完全填充傷口體積或提供一個工程環(huán)境來指導(dǎo)再生過程,。新興的3D生物打印技術(shù)有望獲取更復(fù)雜、更大的3D支架,，用于大型動物臨床前模型,，最終實現(xiàn)人類患者的治療。

鑒于此,，來自卡耐基梅隆大學(xué)的Adam W. Feinberg教授團隊利用計算機斷層掃描(CT),、磁共振成像（MRI）等臨床成像數(shù)據(jù)和3D生物打印技術(shù)相結(jié)合，創(chuàng)造性地開發(fā)了解剖學(xué)上精確的支架材料（懸浮水凝膠FRESH）,。作者將大體積,、患者特異性的dECM貼片（~12 × 8 × 2 cm）植入大體積肌肉損傷模型中。分析表明,，這些dECM貼片在尺寸上是精確的,，并且能適應(yīng)復(fù)雜創(chuàng)傷的表面。最后,，作者將該方法擴展到人的大體積肌肉損傷應(yīng)用中,，以演示臨床相關(guān)的具有纖維陣列和微結(jié)構(gòu)的dECM支架的制備工藝。該研究成果具有顯著的突破性,，可用于臨床轉(zhuǎn)化和由于外傷,、腫瘤切除和其他外科手術(shù)導(dǎo)致的軟組織缺損患者的特異性治療。文章以題為“3D Bioprinted Patient-Specific Extracellular Matrix Scaffolds for Soft Tissue Defects”于2022.9.5發(fā)表在《Advanced Healthcare Materials》期刊上,。

1. 用于軟組織缺損的患者特異性dECM貼片的制備
作者開發(fā)了一種患者特異性dECM貼片的制備工藝,。即將VML損傷的CT/MRI成像、3D圖像分割和嵌入式3D生物打印相結(jié)合,，制備出可植入創(chuàng)面的患者特異性dECM支架（圖1）,。制備工藝涉及6個關(guān)鍵步驟，具體包括（i）圖像處理：將組織缺陷的CT/MRI圖像轉(zhuǎn)換為患者特異性支架的可打印CAD模型,；（ii）創(chuàng)制高濃度的dECM生物墨水,，用于高保真的FRESH 3D打印,；（iii）調(diào)整生物打印機,，使用較大的25毫升注射器來制備大體積支架,；（iv）將dECM支架轉(zhuǎn)移到傷口部位；（v）通過定量分析法評估支架材料的保真度和共形性,；（vi）通過控制dECM的密度和纖維排列,，使該過程適應(yīng)于人的VML損傷。

圖1 制備患者特異性dECM水凝膠貼片的示意圖

首先,，作者在狗的股二頭肌上形成一個長10厘米,，寬7厘米，深約2-3厘米尺寸的傷口（圖2）,，該傷口面足夠大,，可在愈合過程中產(chǎn)生實質(zhì)性瘢痕。接著,，進行了傷口CT掃描,、體積分割、提取傷口的實體模型,，然后將其挖空,，形成一個壁厚為4毫米的外殼，并在傷口床周圍清洗以隔離貼片,。值得一提的是,，與商業(yè)生物打印機（最大的10毫升注射器）相比，該打印機可匹配25毫升注射器,，擠出生物墨水體積可高達26.5毫升,，具有顯著的體積優(yōu)勢,。接下來,，使用生物墨水對貼片進行FRESH 3D打印，該體系中生物墨水由35 mg/mL純的I型膠原和20 mg/mL來自膀胱基質(zhì)（UBM）的dECM按照1:1混合而成,。

圖2 FRESH 3D打印dECM貼片

2. dECM貼片的尺寸分析
dECM貼片的目的是匹配VML傷口的拓撲結(jié)構(gòu),，并維持原有的形態(tài)，使得dECM與組織二者相匹配,。為了評估這一點,，作者在狗的肢體尸檢后上創(chuàng)建了一個VML傷口，CT成像后,，凍結(jié)肢體以保持結(jié)構(gòu)的完整性（圖3）,。作者在生物墨水中加入2%的硫酸鋇作為x射線造影劑。研究顯示,，F(xiàn)RESH打印的dECM貼片與原CAD模型相比,，平均偏差為±1.55 mm，說明打印出的貼片具有總長度和寬度變化為1-2%的高保真性,。對比植入前后的dECM貼片,，平均偏差為±1.14 mm,，表明植入過程中貼片相對于總長度和總寬度的形變程度不超過1.5%。植入的dECM貼片與原始CAD模型的平均偏差為±1.38 mm,，說明初始的CAD設(shè)計與最終植入的貼片形態(tài)具有高度相似性,。

圖3 設(shè)計的dECM貼片與FRESH打印的dECM貼片進行植入前后的尺寸分析

為進一步確定患者特有的幾何形狀是實現(xiàn)合適覆蓋的必要條件，作者從dECM生物墨水中打印出一塊足以覆蓋整個傷口的薄片作為對照,。dECM患者特異性貼片和dECM薄片植入同一冷凍創(chuàng)口,，通過CT成像記錄接觸面積和空洞的體積，從而評估支架的共形性,。研究發(fā)現(xiàn),，打印的患者特異性dECM貼片的變形量可以適應(yīng)傷口幾何形狀的微小變化，并實現(xiàn)輪廓匹配,。此外,，在dECM患者特異性斑塊上可檢測到87個空洞，雖然在植入的薄片上只檢測到41個空洞,，但總空洞體積比患者特異性貼片的總空洞體積大約4.8倍,。且dECM患者特異性貼片接觸創(chuàng)面的表面積為99.9%，與創(chuàng)面幾何形狀吻合度非常高,，相比之下,，薄片接觸創(chuàng)面的表面積僅為90.3%。（圖4）

圖4 植入的dECM患者特異性貼片與薄片的共形性分析與空洞量化結(jié)果圖

3. 在人股四頭肌中制備一種針對VML的患者的特異性dECM貼片

作者采用了狗VML損傷工藝,，并將其應(yīng)用于臨床相關(guān)的人類VML損傷,，以證明利用CT數(shù)據(jù)設(shè)計基于未受傷對側(cè)腿的患者特異性dECM支架的能力。首先,，利用CT數(shù)據(jù)生成受傷和未受傷腿的3D模型,。然后對模型進行裁剪，通過比對未受傷和受傷肌肉之間的差異,，得到dECM支架的幾何形狀,。接著，以硫酸鋇為造影劑,，用I型膠原蛋白和dECM生物墨水對dECM支架進行FRESH 3D打印,、CT成像。最后,，將原CAD模型與FRESH 3D打印支架進行外表面測量分析,，結(jié)果顯示，該工藝得到的患者的特異性dECM貼片具有良好的尺寸精度,，其平均偏差為±1.47 mm,，與狗VML實驗中使用的dECM貼片的平均偏差相當。（圖5）

圖5 患者特異性dECM支架植入人的VML

總而言之,，這項工作旨在以臨床影像數(shù)據(jù)作為切入點,，創(chuàng)建大體積dECM支架,，涵蓋VML損傷、支架植入以及適應(yīng)人VML損傷的過程,。未來的研究將做進一步的突破,，即在此基礎(chǔ)上設(shè)計具有確定微觀結(jié)構(gòu)、dECM組織來源,、蛋白成份和力學(xué)性能的組織貼片,，探究支架材料如何影響組織再生過程和功能特性。

文章來源：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.202200866