打印生物组织工程支架的应用研究

前言

由于人类每年面临的肌肉骨骼、心血管和结缔组织损伤和替换的数量，软组织支架引起了人们极大的兴趣。由于不同类型的软组织在大小、形状和强度上的差异，准确地替换或修复这些组织是具有挑战性的。随着立体光刻等先进加工技术的发展，支架分辨率控制到毫米级是可以实现的，同时还可以定制每个预制支架以匹配目标替换组织。将先进的制造技术与聚合物性能相匹配，并保持适当的化学、生物和机械性能来进行组织置换，是一项极具挑战性的工作[1-2]。

三维（3D）打印是一种制造技术，允许对构建的脚手架的结构和尺寸进行精确控制。在微/纳米尺度上控制特征尺寸的能力是可以实现的，并且取决于3D打印技术。立体光刻（SLA）是一种常见的3D打印工艺，与其他增材制造技术相比，它可以更好地控制组织支架的尺寸和特性。精确控制体系结构的能力所制备的支架无论是构建可重复的同种支架还是制备特定于患者的模板，对再生医学都有很大的益处。

1 软组织工程支架的关键性能

1.1 细胞毒性

为了潜在地替换或修复健康的活体组织，合成或天然支架必须提供细胞粘附和增殖所需的仿生结合位点。在设计组织工程支架时，细胞在支架中的放置和分布对于实现适当的功能和分化至关重要。这种功能与细胞外基质的相互作用以及缺乏活跃血管系统的营养物质扩散。支架不得含有任何导致细胞坏死或凋亡的细胞毒性元素。常见的细胞毒性来源包括构建支架的大分子、光聚合所用的引发剂、聚合物合成中的有机溶剂残留和聚合物降解产物。越来越多的自由基损伤细胞被认为会导致更高的细胞毒性。优化SLA中使用的光引发剂是提高生物相容性的关键，SLA制备聚合物支架的循环发现方法。营养物质通过支架对细胞的正常生长很重要。缺乏营养物质的扩散，或细胞无法迁移，会阻碍细胞增殖，从而降低支架加速组织生长的潜力有效修复和再生。在设计新的大分子和支架、细胞外基质相互作用的因素以及营养物质扩散的影响时，必须考虑到所有这些因素。

1.2 支架降解

降解机理和降解速率是设计新型组织工程支架的重要化学性质。组织工程支架一般分为永久性和可生物降解两大类。这两种类型的支架具有不同的用途，需要不同的化学和生物特性。永久性脚手架不得降解并且需要保持和复制与它所替代的软组织相关的物理特性。植入式永久支架是在组织损伤无法修复的极端情况下使用的。控制降解速率和降解类型对于为特定应用设计支架非常重要。体积侵蚀和表面侵蚀是支架降解。在表面侵蚀过程中，支架从外到内逐渐退化，逐渐收缩。

1.2 .1水解可分解键

水占人体的70%左右，促使组织工程支架中水解可切割连接的广泛应用。在设计生物可降解组织工程支架的高分子材料时，必须考虑到使支架具有水解敏感性所需的化学成分。合成聚合物中最常见的水解敏感功能是酯键。酯具有共同的有机功能，经过水解产生羧酸和醇的离子。如果酯在聚合物主链中，发生链断裂，由此产生的小分子被排出体外。酯通常在SLA聚合物的端官能化时形成。丙烯酰化反应含醇的氯代或甲基丙烯酰氯分别由丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯生产，其中含有酯官能。

交联丙烯酸支架的水解。甲基丙烯酸酯的降解速度往往比丙烯酸酯慢，程度也比丙烯酸酯小。主链上的超疏水甲基使甲基丙烯酸酯聚合物的亲水性降低，并且在尝试水解酯时引入空间限制。聚合物组成、交联密度、结晶度和支架添加剂均影响支架的降解速率。用于软组织工程应用的聚合物需要具有弹性和柔性，因此不考虑半结晶聚合物。混合这些聚酯随着其他更灵活的聚合物导致降解率的改变和材料的力学性能更适合软组织支架。

1.2.2 酶解键聚酯的快速随机链水解

由于低PH值导致局部组织酸性，从而对细胞生长产生负面影响并导致力学性能受损。在聚合物网络中加入酶可分解的键不仅可以实现支架的可控降解，而且还可以作为细胞粘附和迁移的生物活性部分。许多用于组织工程和再生医学应用的材料从聚合物主链或侧链水解降解。侧基化学、结晶度、亲水性等，调整聚合物的水解降解能力。

通过在聚合物主链中引入酶可切割的连接，组织再生和重塑过程模拟了自然细胞驱动的细胞外基质降解，导致细胞迁移和侵袭，以及由此重塑的组织。在自然组织中，细胞外基质蛋白水解酶降解导致细胞迁移，对细胞分泌的酶作出反应。膜结合蛋白酶，如基质金属蛋白酶（mmps），有助于细胞外基质重塑的自然过程，并且在生物材料中通过加入含有这些蛋白酶可切割序列的天然蛋白质，如胶原蛋白或纤维蛋白，进行理想的重建[3-5]。

文章来源：《中国组织工程研究》 网址: http://www.zgzzgcyj.cn/qikandaodu/2021/0316/1151.html