【摘 要】
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气管是一种中空管状结构的器官,在呼吸、发声和气道保护中起关键作用,其缺陷通常由肿瘤、感染和外伤等引起,可显著影响患者的生活质量。当气管损伤长度超过成人气管总长度的50%或儿童约30%的缺损时,采用传统的端对端吻合手术方法几乎无法重建气管缺损,需要气管移植物辅助治疗。而组织工程气管可为气管管腔轮廓提供足够的机械强度和组织再生能力,进而重塑具有生物活性和功能的气管,并逐渐成为气管组织再生治疗的新方法。
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气管是一种中空管状结构的器官,在呼吸、发声和气道保护中起关键作用,其缺陷通常由肿瘤、感染和外伤等引起,可显著影响患者的生活质量。当气管损伤长度超过成人气管总长度的50%或儿童约30%的缺损时,采用传统的端对端吻合手术方法几乎无法重建气管缺损,需要气管移植物辅助治疗。而组织工程气管可为气管管腔轮廓提供足够的机械强度和组织再生能力,进而重塑具有生物活性和功能的气管,并逐渐成为气管组织再生治疗的新方法。本文结合三维打印、静电纺丝及冷冻干燥等技术制备了一种复合气管支架。其中通过三维打印技术制备了不同线距（0.5 mm,1.0mm,1.5 mm）的三维打印软管支架（TBS）,提供气管支架的力学性能;通过对不同TBS支架的径向力学性能和支架结构稳定性评估,线距为1.0 mm的TBS支架更适合作为气管支架的力学支撑结构;通过静电纺丝及匀浆技术获得不同含固率（0.5 wt%,SF0.5;1.0 wt%,SF1.0;1.5 wt%,SF1.5）的短纳米纤维分散液,短纳米纤维分散液和TBS支架经模具浇筑后形成非交联气管支架;非交联气管支架再经冷冻干燥、戊二醛交联、谷氨酸浸泡及去离子漂洗等工艺流程,制备为三维打印复合气凝胶的气管支架（SF0.5/TBS,TSF0.5;SF1.0/TBS,TSF1.0;SF1.5/TBS,TSF1.5）。为提高气管支架的结构稳定性,本文采用不同温度和时间对气管支架热处理,优化出60℃处理气管支架0.5 h可显著提高支架的结构稳定性;在形态学方面,气管支架长度、管壁厚度以及管腔内外直径均可实现对兔气管的仿生;进一步对气凝胶和气管支架的密度、孔隙率、吸水率等进行测试,表明气管支架两侧的气凝胶具备较低的密度、较高的孔隙率、良好的吸水性及持水能力,从性能上可仿生细胞外基质（EMC）微环境;通过力学测试表明,湿态TSF1.0支架在径向压缩测试中,其弹性回复率、最大应力、杨氏模量等力学行为,可有效的匹配兔气管相应的力学行为,轴向拉伸力学性能优于兔气管轴向拉伸力学性能;进一步研究气管支架的体外降解性能,结果表明气管支架表现出较好的结构稳定性,可有效的提供气管支架作为移植物的软骨再生周期。对气管支架进行蛋白吸附性、血液相容性、细胞接种效率、软骨细胞增殖、软骨细胞黏附等生物学功能评估,实验结果表明气管支架具有较高的蛋白吸附性能、良好的血液相容性、较高的接种效率及良好的体外生物相容性,有利于软骨细胞在气管支架上增殖,进而实现气管支架的软骨再生;对种植有软骨细胞培养7天的支架,进行支架结构稳定性和细胞浸润行为评估,表明TSF1.0支架可兼备结构稳定性和较高的细胞浸润速率。为进一步评价气管支架的体内结构稳定性、生物相容性和血管再生能力,将TSF0.5、TSF1.0、TSF1.5支架植入裸鼠皮下2周和4周,到预定时间点对气管支架取样后,进行H＆E染色、Masson’s trichrome染色及CD31荧光染色。染色结果表明气管支架在体内具有良好的结构稳定性和生物相容性,并具备一定的血管生成能力;最后将载有软骨细胞的复合层气管支架植入裸鼠皮下4w和8w,复合层气管支架随体内培养时间的延长逐渐呈现出软骨样形貌,进一步通过H＆E染色、Safranin-O染色及Collagen II染色,表明复合层气管支架可有效实现气管支架的软骨化和胶原沉积,从而保障气管支架植入体内时实现软骨再生。综上所述,本课题中所制备的气管支架不仅具有合适的机械性能,以提供稳定的结构和细胞生长的微环境,还具有类细胞外基质结构以促进组织再生,这可为组织再生领域制备气管支架提供一种新的途径。
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