微流道軟組織支架研究進展

屈海兵，胥光申(通訊作者)

(西安工程大學機電工程學院，陜西西安710048)

微流道軟組織支架研究進展

屈海兵，胥光申(通訊作者)

(西安工程大學機電工程學院，陜西西安710048)

血管化是體外再生大型組織器官的一個必要條件，它要求三維支架內部必須要有導通的微流道網絡，因此研究具有微流道的三維軟組織支架，對體外構建大型組織器官具有重要意義。近年來，利用各種先進制造方法，實現了各種結構、多種材料的三維微流道軟組織支架的制造。本文闡述了近幾年國內外學者在微流道軟組織支架制造方面的研究進展，并對其未來發展進行了展望。

組織工程;血管化;微流道;軟組織支架

0 引言

組織工程學(Tissue engineering)，也稱為“再生醫學”，綜合應用了材料學、生命科學與工程學的基本原理及理論，通過體外培養構建組織或器官的種植體，然后植入體內，以達到再造或修復組織器官的目的［1］。軟組織工程是組織工程中一個重要的分支，這個領域的研究已取得很大的進展，如尿道、皮膚和膀胱等一些較薄的組織或器官的修復或再造方面，已經進入臨床試驗階段［2-6］，這主要是因為這些器官或組織厚度較薄，細胞生長所需的營養物質通過滲透就可以得到滿足;而一些厚度或體積較大組織或器官的存活，需要復雜的血管網絡的支持，來滿足細胞的新陳代謝，例如肝臟的基本單元肝小葉，內部是由中央靜脈、門微靜脈、肝微靜脈分支形成了復雜的三維血管網絡。所以，通過研究在三維軟組織支架內部，構建微流道網絡，模仿組織或器官內真實的血管網絡，實現血管化，為細胞的新陳代謝提供必需的條件，對于實現組織或器官的體外再生是十分重要的。

1 支架材料

組織工程的三要素為:細胞，生長信息與支架［1］。其中支架在組織工程當中起著核心作用，不僅為細胞的生長提供結構支撐，還有起著模板的作用，引導組織或器官的再生，最終降解并排出體外。制作軟組織支架的材料通常都是可降解的，主要分為天然材料和人工合成材料。膠原、明膠、殼聚糖、瓊脂糖、甲殼素與糖胺聚糖等都屬于天然生物可降解材料，與人工合成材料相比，具有良好的生物相容性、無毒性、可降解并產物無毒，與細胞外基質相似等優點［7］;人工合成材料主要有聚乳酸-羥基乙酸(PLGA)、聚乙酰內酯(PVLA)、聚ε-己內酯乙烷基乙烯基磷酸鹽共聚物(PCLEEP)等，其成本低，來源穩定，可根據不同組織需求，人為地調整結構，可適用于較多的制備技術，且具有優良的機械性能、可加工性、生物相容性及可變的物化性能［8］。

2 微流道軟組織支架制作方法(以主要技術手段劃分)

2.1 光固化成型

光固化成型技術是一種通過一定波長的紫外光照射，使光敏材料從液態聚合成固態的一種光加工工藝，其本質是光引發材料的聚合、交聯反應。Sivashankar和Nikkhah等［9，10］使用PEG-DA溶液或甲基丙烯酰胺改性明膠(GelMA)光敏材料，利用光固化掩膜法制造出具有流道結構的支架，其原理為在材料上部放置掩膜板，利用掩膜板控制微流道結構的成型，在掩膜板下方透光部分溶液受光照固化，不透光部分保持不變，最后得到具有微流道結構的支架，該方法目前只能制造出一層流道結構，很難制造出具有復雜血管網絡的三維支架，且制造效率低;Seck等［11］以可降解的聚乙二醇和聚D，L-乳酸為材料，利用光固化快速成型方法，制造出的三維多孔水凝膠支架，且具有良好的機械性能、孔隙連接性和生物相容性，該方法將光固化與快速成型技術相結合，提高了支架的成型精度與制造效率。

2.2 微制造技術成型

微制造技術是一種精細加工方法，能夠在支架上成型設計好的流道結構，精度較高。朱琳等［12］使用光固化成型機，制造出具有微流道結構的樹脂支架，通過微復型技術翻模得到硅膠模具，在以瓊脂糖/膠原復合制造單層支架，通過層層疊加得到三維支架。Huang［13］等通過流體動態分析，獲得微血管流動參數模型，利用雙層PDMS基板和AZ P4620光刻膠，采用光阻劑回流技術，獲得圓柱型仿生血管管道結構，再通過微復型技術得到具有圓形流道的水凝膠支架，該技術可制造出不同直徑的微流道，并形成連續的血管網絡;Bettinger等［14，15］以硅板或PDMS為模具，利用光刻技術，在其表面刻出流道結構，以人工合成材料和絲素蛋白為材料，制造出具有微流道結構的支架，然后通過層層疊加形成具有出口和入口血管網絡流道的三維支架。利用微制造技術制造的單層薄片支架，通過疊加形成多層支架，該方法可以擴大軟組織支架制造中材料的選擇范圍，或通過先制造單層支架再組裝形成三維支架，其應用也越來越廣泛，但層間結合強度有限，而且單層支架的機械性能差，組裝后支架內部立體流道網絡的結構和連續性難以保證。

2.3 三維打印技術成型

三維打印技術首先是由麻省理工學院成功開發，并很快用于組織工程支架的制備。三維打印技術制備支架時，打印噴頭依次“打印”出支架材料和粘合劑(通常為溶劑)，在計算機控制下，按預定程序逐層打印，即形成三維支架。三維打印技術已被應用到生物制造和醫學領域，現已有研究通過三維打印技術制出造血管或其它組織器官［16，17］。Miller等［18］使用多糖材料，利用三維打印機打印出管狀網絡結構，以此作為消失模，同時為防止多糖溶解時影響外部基質環境，在消失模外層涂覆一層聚乳酸-羥基乙酸共聚物，然后將水凝膠材料倒入模具當中，使其凝固，在加熱使多糖網絡結構溶解消失，最終得到具有微流道的水凝膠三維支架;顏永年［19］等以殼聚糖/明膠為材料，采用三維打印技術直接制造出三維支架，其內部流道為圓柱形，孔徑約為100～300μm，但是制造的流道結構保持較差，結構不規則。三維打印技術與僅適用于特定生物材料的成型方法相比較，它幾乎適用于所有膏狀生物材料，為構建組織支架提供了更多的可能和選擇，而且能夠成型復雜結構［20］，但制作支架使用材料多為天然生物材料，如膠原、明膠等，強度不高，結構保持性較弱，發展具有高強度生物材料支架的三維打印技術，正成為軟組織支架制作及其血管化的研究熱點。

2.4 其他成型方法

除上述方法外，制作具有微流道結構的軟組織支架還有一些其他的方法。如Wong等［21］在PDMS中插入安特定順序排列的針頭，注入纖維蛋白凝膠，凝固后取出針頭，從而得到具有流道的支架，該方法具有成本低，操作簡單的優點;王燁等［22］結合使用分層制作技術、微壓印技術和冷凍干燥技術，設計制造了三維分層壓印成型機，使用該成型機，以絲素蛋白為材料，最終得到具有微流道系統的三維支架，該方法使用成型機自動加工成型支架，提高了支架的制作精度與制造效率;毛茅等［23］以絲素蛋白和明膠混合溶液為支架材料，將其灌注到應用快速成型技術制備的支架模具中，脫模之后冷凍干燥處理，經過卷裹后，得到三維支架，該方法操作簡便，但成形結構單一，制作效率較低。

3 展望

目前，在組織工程領域中，微流道軟組織支架的成型方法眾多。現從材料、微流道結構和成型技術三方面對微流道軟組織支架的研究進行展望:

(1)材料。支架材料種類繁多，各具優缺點，但目前還沒有一種材料能夠完全符合軟組織支架材料的要求。由于軟組織對細胞外基質要求比較高，而天然生物材料與細胞外基質相似，適合制造軟組織支架，較其他材料更具優勢，但天然生物材料強度不高，因此應用聚合或者化學修飾等手段對支架材料進行處理，從而改善其機械性能與生物學特性，這將是今后軟組織支架材料研究的主要方向。

(2)微流道結構。隨著各種先進制造技術的日趨發展成熟，微流道結構支架的制造可以通過各種方式實現。然而流道截面結構往往多是方形，但這與人體近似圓形的血管截面并不相同，而且圓形流道與方形流道，在流體剪應力和對細胞誘導生長方面，有很大的不同［24］。如何在支架當中制造出復雜、可控的圓形截面的微流道網絡系統將是一個難點，也將是血管化研究中的一個突破點。

(3)成型技術。快速成型技術具有成型復雜結構的制造優勢。光固化快速成型技術和三維打印技術等快速成型方法，已成為微流道組織支架制造的重要手段，并將得到更全面、更快速的發展。

［1］杜娟，王佃亮，張艷梅，等．組織工程面臨的技術挑戰與發展趨勢［J］．中國生物工程雜志，2011，(06)．

［2］Groeber F，Holeiter M，Hampel M，et al．Skin tissue engineering—In vivo and in vitro applications［J］．Advanced Drug Delivery Reviews，2011，63(4–5):352 -366．

［3］Vatansever HS，Uluer ET，Aydede H，et al．Analysis of transferred keratinocyte-like cells derived from mouse embryonic stem cells on experimental surgical skin wounds of mouse［J］．Acta Histochem，2013，115(1):32 -41．

［4］Raya-Rivera A，Esquiliano DR，Yoo JJ，et al．Tissueengineered autologous urethras for patients who need Reconstruction:anobservational study［J］．Lancet，2011，377(9972):1175-1182．

［5］Atala A．Tissue engineering of human bladder［J］．Br Med Bull，2011，97:81-104．

［6］張安兄，呂德龍，鐘偉，等．天然生物材料構建組織工程支架的研究進展［J］．北京生物醫學工程，2005，24(05):387-389．

［7］袁磊，閻玉華．肝組織工程材料的研究進展［J］．化工中間體，2007，(01):1-4．

［8］Sivashankar S，Puttaswamy SV，Lin L-H，et al．Culturing of transgenic mice liver tissue slices in three-dimensionalmicrofluidic structures of PEG-DA(poly(ethylene glycol)diacrylate)［J］．Sensors and Actuators B: Chemical，2013，176(0):1081-1089．

［9］Nikkhah M，Eshak N，Zorlutuna P，et al．Directed endothelial cellmorphogenesis inmicropatterned gelatinmethacrylate hydrogels［J］．Biomaterials，2012，33:9009 -99018．

［10］Seck TM，Melchels FP，Feijen J，etal．Designed biodegradable hydrogel structures prepared by stereolithography usingpoly(ethylene glycol)/poly(D，L-lactide)-based resins［J］．Journal of Control Release，2010，148(1):34-41．

［11］朱琳，賀健康，劉亞雄，等．瓊脂糖/膠原復合水凝膠的制備及性能研究［J］．西安交通大學學報，2013，47(10):121-126．

［12］Huang Z，Li X，Martins-Green M，et al．Microfabrication of cylindricalmicrofluidic channel networks for microvascular research．Biomed Microdevices，2012，14:873-883．

［13］Bettinger CJ，Weinberg EJ，Kulig KM，etal．Three-Dimensional Microfluidic Tissue-Engineering Scaffolds U-sing a Flexible Biodegradable Polymer［J］．Advanced Materials，2006，18(2):165-169．

［14］Bettinger CJ，Cyr KM，Matsumoto A，et al．Silk Fibroin Microfluidic Devices［J］．Advanced Materials，2007，19(19):2847-2850．

［15］王雪瑩．3D打印技術及其產業發展的前景預見［J］．創新技術，2012，11(12):3-5．

［16］黃健，姜山．3D打印技術將掀起“第三次工業革命”［J］．新材料產業，2013，15(1):62-67．

［17］Miller JS，Stevens KR，Yang MT，et al．Rapid casting of patterned vascular networks for perfusable engineered three-dimensional tissues［J］．Nature Mat，2012，11:768-774．

［18］Yan Y，Wang X，Pan Y，et al．Fabrication of viable tissue-engineered constructs with 3D cell-assembly technique［J］．Biomaterials，2005，26(29):5864 -5871．

［19］Wong KH，Truslow JG，Khankhel AH，et al．Artificial lymphatic drainage systems for vascularized microfluidic scaffolds［J］．Journal of Biomedical Materials Research Part A，2013，101(8):2181-2190．

［20］Yan Y，Wang X，Pan Y，et al．Fabrication of viable tissue-engineered constructs with 3D cell-assembly technique［J］．Biomaterials，2005，26(29):5864 -5871．

［21］Yongxiang Luo，Ashwini Rahul Akkineni，Anja Lode，et al．Three-dimensional plotting is a versatile rapid prototyping method for the customized manufacturing of complex scaffolds and tissue engineering constructs［J］．Chinese Journal of Reparative and Reconstructive Surgery，2014，(28)3:404-410．

［22］王燁，賀健康，劉亞雄，等．三維微流道支架直接壓印成形方法［J］．西安交通大學學報，2012，46 (10):116-120．

［23］毛茅，劉亞雄，李滌塵，等．卷裹型絲素蛋白/明膠肝組織工程支架［A］．第七屆全國康復醫學工程與康復工程學術研討會論文集［C］．2010．

［24］James P．Camp，Tracy Stokol，Michael L．Shuler．Fabrication of a multiple-diameter branched network ofmicrovascular channelswith semi-circular cross-sections using xenon difluoride etching［J］．Biomed Microdevices，2008，10:179-186．

R329

A

1002-2376(2015)01-0019-03

胥光申，E-mail:xuguangsheng@sohu．com

2014-11-02