大家好，我是Nova菌，气管，作为人体器官的重要组成部分，直接影响着人体呼吸，各类气管疾病影响着人们的生活质量。人类的气管因肿瘤、气管插管，钝伤等容易受到损害，也因出现气管变窄或各种缺陷而难以修复。然而目前临床常用的重建受损器官的方法都有其局限性。随着3D打印技术的发展，3D打印和组织工程技术用于人体气管的修复和更换提供了新的方案。
01最早的尝试年，史上首例3D打印人工气管移植成功年2月9日，Kaiba在密歇根州的C.S.Mott医院做了个手术，一个3D打印气管被放置在了Kaiba气管的缺失部位。
密歇根大学公共医疗中心的生物医学工程师DavidA.Zopf说，整个3D打印过程是这样的，先用计算机设计一个适合Kaiba的气管支架模型，再用热塑性的生物可吸收材料(聚己内酯)，用3D打印机打印出条细小管道，再利用电脑激光技术，砌出一层层不同形状和体积的塑料薄层。
第二天，在美国食品药品监督管理局的允许下，医生将其中一个迷你气管植入Kaiba的喉咙里，即气管中缺失的部位。在移植手术中，依靠支架上的孔洞与气管进行固定。 安置支架7天后，开始逐步撤除机械通气机，并在手术后21天完全停止呼吸机支持。一年以后，通过内窥镜造影手术观察患儿的左主支气管，发现一切正常。 密歇根大学的专家介绍，3D打印的气管有个切口，随着孩子气管的生长，该人造气管也会随之胀大。“这是其他固定的人工气管移植所做不到的。” “这起案例表明，高分辨率成像技术、计算机辅助设计与生物材料的3D打印结合起来，可以针对患者的特定解剖条件创建可植入设备。”
02无畏进军气管组织工程来袭！首先从患者体内取组织活检，将软骨细胞与营养成分混合在一起培养，再用3D打印机塑造成气管的形状，构造出支架，然后研究人员在其上覆盖软骨细胞和胶原蛋白的混合物，使其长成软骨，最后将此段通过手术植入以替代病变部分。年美国北岸-LIJ医疗集团下属Feinstein医学研究所的研究人员在此方面获得了新的突破。研究团队改装了一台3D打印机，让其中的一个挤出机挤出PLA，而另外一个挤出机则挤出生物材料，在打印过程中被注入PLA支架的缝隙中，然后在热床上固化成凝胶。一旦生物墨水粘附到支架上，就送入生物反应器内保持细胞生长，因此细胞可以在3D打印过程中存活，并能够继续分裂，并产生最终形成软骨的细胞外基质。团队在孵化器内用四周可制作出一个3D打印的气管段。管狭窄是一种罕见但危及生命的疾病，是气道梗阻引致气急和呼吸困难。长段气管狭窄修补术是临床上的一个棘手问题，环形切除病变行对端吻合术是以往气管狭窄的主要治疗方法，但目前的手术策略对于气管狭窄的部位和长度有很大的局限性，因此用3D打印的方法修复整个气管段缺损是解决这一临床需求的一种很有前途的方法。
年5月，中国上海的研究团队在《nature》杂志上发表了一篇名为《Tissue-engineeredtracheafroma3D-printedscaffoldenhanceswhole-segmenttrachealrepair》的论文，论证3D打印修复整个气管段缺损方案的可行性。
图2：PCL支架建造过程（A）白兔天然气管长度；（B）白兔天然气管宽度；（C）PCL支架的建模；（D）PCL支架的长度；（E）PCL支架的宽度；（F）（G）红外光谱（FT-IR）分析；（H）（I）径向压缩力变形分析。
他们首先测量了新西兰白兔天然气管（图2A和B），设计出一个相同尺寸的PCL支架（图2CDE）。支架内层由垂直和水平的PCL横杆组成，作为支撑系统加强支架，同时提供足够的空间来覆盖这些区域软骨细胞。然后进行了傅立叶变换红外光谱（FT-IR）分析，确定在3D打印过程中PCL化学结构不会变化变化（图2FGHI）。
图3：细胞与软骨细胞填充支架的过程
接着用种子软骨细胞体外培养了3D打印支架，产生软骨组织，在4周培养后软骨细胞完全吞噬脚手架组装与分泌细胞外基质的细胞层（图3）。在组织工程培养完成后，对两组试验兔进行了气管置换手术，切除一段天然气管，植入打印气管，发现其呈现出良好的生物相容性。该结果表明3D打印方法是制造组织工程支架的一种可靠、高效的方法。这次研究也是首次强调了动物模型修复气管缺损的可能性。
03动物实验年，日本佐贺大学和长崎大学的研究人员重建了无支架气管，成功移植在九只老鼠身上。
移植气管或者任何一个呼吸道器官，稳定是最重要的，想想看，如果是移植的一个生物打印的耳朵崩坏了，还不致命，但如果是气管坏掉了，麻烦就大了，这时候患者将失去呼吸的能力。对于如何确保气管稳定，科学家有不同的看法：有些生物工程师认为最好的方式是做人工呼吸道器官，但是有局限性，这就是为什么日本佐贺大学和长崎大学的研究人员选择用3D生物打印机来做无支架人工气管的原因，佐贺大学的科学家KoichiNakayama领导了此次研究，他此前也在老鼠身上研究过3D生物打印肝脏组织。研究人员表示3D打印的气管的强度足以防止气管崩坏，老鼠试验已经得到了很好的验证。总共有九只老鼠进行了移植试验，经过23天的密切观察后，研究人员发现，在硅胶支架的辅助下，3D打印的移植气管的强度足以防止气管崩坏，直到到有充足的血液供应，软骨发育和血管形成也顺利进行。由于气管分泌物使实验鼠出现了类似哮喘的现象，但总的来说试验还是非常成功的，因为3D生物打印被证明是一种非常有效的手段，这就意味着科学家成功制造出了可用的人工气管，虽然还处于实验鼠阶段，但等技术成熟以后将来也许可以为人类制造完美的气管替代品。年，东华大学游正伟教授等人在ScienceChinaMaterials上发表研究论文，采用4轴打印系统快速地制备了具有多级结构的管状组织工程支架，该方法适用于多种生物材料，如水凝胶、热塑性生物材料以及热固性生物材料。以聚己内酯(PCL)为例，成功制备了管状结构可调、类编织网格结构可控，径向弹性、轴向柔性及管腔开放性良好的支架。作为管状组织再生的初步应用，利用4轴打印技术制备了聚癸二酸甘油酯(PGS)的热固性生物弹簧，并与静电纺技术相结合制备了杂化的PGS/明胶纳米纤维管状支架。该支架接种软骨细胞后在体外培养和裸鼠皮下植入均可形成成熟的管状软骨组织，有望应用于气管软骨重建。该研究成果最近发表于ScienceChinaMaterials,,doi:10.7/s---5。
04相信科技，相信未来Nova菌也相信，随着增材制造的发展，组织工程与材料学的突破，越来多功能丰富且便捷的打印机横空出世，再生医学将进入一个新的高度，作为第三类医疗手段，我们始终坚持将技术真正应用于临床，哪怕中间会有许多坎坷，也会经历漫长的时间，但是，只要有爱，有信念，我们也将为此奋斗终生！参考文献：
1、ManchenGao,HengyiZhang,WeiDong.Tissue-engineeredtracheafroma3D-printedscaffoldenhanceswhole-segmenttrachealrepair.Nature,ScientificReports7()
2、Scaffold-freetrachearegenerationbytissueengineeringwithbio-3Dprinting
3、Vascularizationininterconnected3DprintedTi-6Al-4VfoamswithhydrogelmatrixforbiomedicalbonereplacementimplantsVictorL.Correa,KristineM.Garza,LawrenceE.MurrSCIENCECHINAMaterials,,61(4):-
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