一种组织工程气管及其构建方法与应用

本发明属于生物医学组织工程，具体涉及一种组织工程气管及其构建方法与应用。

背景技术：

1、气管是连接肺和外界大气的唯一通道，对维持生命具有至关重要的作用。目前手术切除重建是治疗长段气管损伤、肿瘤、狭窄等疾病最主要的方式之一。然而由于气管的活动度较小，切除的长度过长会因吻合口张力过大导致手术失败，目前临床上气管切除的长度极限为6cm或不超过儿童气管的1/3。因此对于长段气管的切除重建是临床上一个具有挑战性的难题，其中组织工程气管是目前气管替代物研究中的热点。随着3d打印技术的发展，将3d打印技术与组织工程技术相结合成为一个新的研究方向，通过打造与原生气管生物性能更加接近的组织工程气管，可能为临床治疗长段气管缺损提供更好的方式。在3d打印技术应用于气管重建的研究中，最常用的一种应用是采用3d打印技术构建气管支架，通过支架来进行组织工程的再生。

2、气管替代物除在结构上能维持呼吸道的通畅，保证基本的通气功能外，在功能上还应该尽可能达到与原生气管一致的水平。单纯的3d打印气管支架促进新生的上皮、血管及软骨形成的能力较弱，同时也可引起较严重的炎症反应，导致肉芽组织的生成，造成气管移植物的狭窄。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是还原气管的上皮化、血管化，使得组织工程气管在结构上、功能上达到仿生替代效果，并且要实现快速上皮化，缩短组织工程气管的培养时间，目前3d打印的气管需要先体外培养，再埋入患者体内使其血管化，继而进行原位替代，需要1-2个月的时间，培养时间长，对于病情危重的患者非常不友好。本发明的组织工程气管解决上述培养时间长的问题，实现短时间培养即可植入患者体内进行原位替代的目的。

2、本发明为一种组织工程气管，包括：

3、定向纤维层，由pcl纤维打印而成的圆柱管状结构；

4、血管层，由打印的凝胶纤维沉积在所述定向纤维层的外表面，所述血管层与所述定向纤维层一体成型；

5、支撑层，由pcl纤维沉积在所述血管层的表面，所述支撑层、所述血管层和所述定向纤维层一体成型。

6、进一步，所述定向纤维层的纤维直径为5-20um，纤维间距为25-100um。

7、进一步，所述定向纤维层包括格栅层，格栅层沉积到定向纤维层上，格栅层与定向纤维一体成型。格栅层能够加固定向纤维层。

8、进一步，所述定向纤维层的内面和表面均具有所述格栅层。

9、进一步，所述格栅层由直径35-50um的pcl纤维构成。

10、进一步，所述格栅层的纤维间距为1mm。

11、进一步，所述定向纤维层用于支持上皮细胞生长，上皮细胞贴附在定向纤维的内壁。上皮细胞在定向纤维的引导下生长。

12、进一步，所述血管层包括内部中空的凝胶流道。

13、进一步，所述凝胶流道包含内皮细胞或干细胞，内皮细胞或干细胞生长在凝胶流道的内壁。

14、进一步，所述凝胶流道螺旋盘绕在所述定向纤维的外壁，凝胶流道的外径为200-600um。

15、进一步，所述支撑层由pcl打印而成，支撑层为网格状结构。

16、本发明还公开了一种组织工程气管的构建方法，用于构建所述组织工程气管，包括以下步骤：

17、s1、获取pcl原料，利用生物打印平台打印得到pcl定向纤维片；

18、s2、卷曲所述定向纤维片为圆柱管状结构的定向纤维层；

19、s3、将所述定向纤维层套在生物打印平台滚轴上；

20、s4、获取生物墨水和海藻酸盐或改性的海藻酸盐，利用生物打印平台打印，生物打印平台针头的外轴以海藻酸盐或改性的海藻酸盐为打印材料，打印针头的内轴以生物墨水为打印材料，内轴的生物墨水和外轴的海藻酸盐或改性的海藻酸盐在挤出瞬间接触交联形成凝胶纤维，所述凝胶纤维均匀沉积在所述定向纤维层上形成血管层，得到所述血管层均匀包裹所述定向纤维层的一体化管状结构；

21、s5、将所述一体化管状结构套在生物打印平台滚轴上；

22、s6、获取pcl原料，利用生物打印平台交替打印，pcl纤维均匀交替沉积在所述一体化管状结构上形成支撑层，得到所述定向纤维层、血管层、支撑层一体化的复合管状结构，所述复合管状结构即为组织工程气管。

23、进一步，所述生物墨水包括胶原、氯化钙和内皮细胞。

24、可替换地，所述生物墨水包括氯化钙、牛纤维蛋白、兔肺微血管内皮细胞。

25、进一步，所述血管层采用同轴挤出打印技术打印得到。

26、进一步，所述支撑层采用熔融挤出及熔融静电3d打印技术打印得到。

27、进一步，将原代上皮细胞种植到复合环形管状结构上，在混合培养基中培养种植有原代上皮细胞的复合环形管状结构，得到具有生物活性的组织工程气管。

28、本发明还提供了组织工程气管的应用，组织工程气管在作为气管缺损修复材料或组织工程气管移植物中的应用。

29、本发明的有益效果：

30、(1)利用3d生物打印平台快速打印具有定向纤维层、血管层、支撑层的一体化管状结构，血管化的一体化管状结构能够为细胞生长提供物质交换的场所，有利于细胞快速生长。

31、(2)提取动物气管/支气管中的上皮细胞，种植到复合环形管状结构上，短期内(7天)即可培养出具有生物活性的组织工程气管，对于患者来说，尤其危重患者来说，缩短了等待气管假体的时长，对患者生命的存续起到重要的作用。

32、(3)采用动物的上皮细胞培养的组织工程气管能够代替缺损气管的原有功能，排异性小，安全性高。

技术特征：

1.一种组织工程气管，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的组织工程气管，其特征在于，所述定向纤维层的纤维直径为5-20um，纤维间距为25-100um。

3.根据权利要求1所述的组织工程气管，其特征在于，所述定向纤维层包括格栅层，格栅层沉积到定向纤维层上。

4.根据权利要求3所述的组织工程气管，其特征在于，所述格栅层由直径为35um的pcl纤维构成；

5.根据权利要求1所述的组织工程气管，其特征在于，所述血管层包括内部中空的凝胶流道；

6.根据权利要求5所述的组织工程气管，其特征在于，所述凝胶流道包含内皮细胞或干细胞，内皮细胞或干细胞生长在凝胶流道的内壁。

7.根据权利要求6所述的组织工程气管，其特征在于，所述凝胶流道螺旋盘绕在所述定向纤维的外壁，凝胶流道为连续贯通的中空管道；

8.根据权利要求1所述的组织工程气管，其特征在于，所述支撑层由pcl打印而成，支撑层为网格状结构。

9.权利要求1-8任意一项所述的组织工程气管在作为气管缺损修复材料或组织工程气管移植物中的应用。

10.一种组织工程气管的构建方法，构建权利要求1-8任意一项所述的组织工程气管，其特征在于：

技术总结本发明属于生物医学组织工程技术领域，公开了一种组织工程气管及其构建方法与应用，包括：定向纤维层，由PCL纤维打印而成的圆柱管状结构；血管层，由打印的凝胶纤维沉积在所述定向纤维层的外表面，所述血管层与所述定向纤维层一体成型；支撑层，由PCL纤维沉积在所述血管层的表面，所述支撑层、所述血管层和所述定向纤维层一体成型。利用3D打印机快速打印具有定向纤维层、血管层、支撑层的一体化管状结构，血管化的一体化管状结构能够为细胞生长提供物质交换的场所，有利于细胞快速生长，短期内(7天)即可培养出具有生物活性的组织工程气管。技术研发人员：张晏宁,雷杰,熊延路,张娜,张娇,周银曦,孙盈,文苗苗,王雪娇受保护的技术使用者：中国人民解放军空军军医大学技术研发日：技术公布日：2024/9/9