微流道软组织支架研究进展

屈海兵，胥光申(通讯作者)

(西安工程大学机电工程学院，陕西西安710048)

微流道软组织支架研究进展

屈海兵，胥光申(通讯作者)

(西安工程大学机电工程学院，陕西西安710048)

血管化是体外再生大型组织器官的一个必要条件，它要求三维支架内部必须要有导通的微流道网络，因此研究具有微流道的三维软组织支架，对体外构建大型组织器官具有重要意义。近年来，利用各种先进制造方法，实现了各种结构、多种材料的三维微流道软组织支架的制造。本文阐述了近几年国内外学者在微流道软组织支架制造方面的研究进展，并对其未来发展进行了展望。

组织工程;血管化;微流道;软组织支架

0 引言

组织工程学(Tissue engineering)，也称为“再生医学”，综合应用了材料学、生命科学与工程学的基本原理及理论，通过体外培养构建组织或器官的种植体，然后植入体内，以达到再造或修复组织器官的目的［1］。软组织工程是组织工程中一个重要的分支，这个领域的研究已取得很大的进展，如尿道、皮肤和膀胱等一些较薄的组织或器官的修复或再造方面，已经进入临床试验阶段［2-6］，这主要是因为这些器官或组织厚度较薄，细胞生长所需的营养物质通过渗透就可以得到满足;而一些厚度或体积较大组织或器官的存活，需要复杂的血管网络的支持，来满足细胞的新陈代谢，例如肝脏的基本单元肝小叶，内部是由中央静脉、门微静脉、肝微静脉分支形成了复杂的三维血管网络。所以，通过研究在三维软组织支架内部，构建微流道网络，模仿组织或器官内真实的血管网络，实现血管化，为细胞的新陈代谢提供必需的条件，对于实现组织或器官的体外再生是十分重要的。

1 支架材料

组织工程的三要素为:细胞，生长信息与支架［1］。其中支架在组织工程当中起着核心作用，不仅为细胞的生长提供结构支撑，还有起着模板的作用，引导组织或器官的再生，最终降解并排出体外。制作软组织支架的材料通常都是可降解的，主要分为天然材料和人工合成材料。胶原、明胶、壳聚糖、琼脂糖、甲壳素与糖胺聚糖等都属于天然生物可降解材料，与人工合成材料相比，具有良好的生物相容性、无毒性、可降解并产物无毒，与细胞外基质相似等优点［7］;人工合成材料主要有聚乳酸-羟基乙酸(PLGA)、聚乙酰内酯(PVLA)、聚ε-己内酯乙烷基乙烯基磷酸盐共聚物(PCLEEP)等，其成本低，来源稳定，可根据不同组织需求，人为地调整结构，可适用于较多的制备技术，且具有优良的机械性能、可加工性、生物相容性及可变的物化性能［8］。

2 微流道软组织支架制作方法(以主要技术手段划分)

2.1 光固化成型

光固化成型技术是一种通过一定波长的紫外光照射，使光敏材料从液态聚合成固态的一种光加工工艺，其本质是光引发材料的聚合、交联反应。Sivashankar和Nikkhah等［9，10］使用PEG-DA溶液或甲基丙烯酰胺改性明胶(GelMA)光敏材料，利用光固化掩膜法制造出具有流道结构的支架，其原理为在材料上部放置掩膜板，利用掩膜板控制微流道结构的成型，在掩膜板下方透光部分溶液受光照固化，不透光部分保持不变，最后得到具有微流道结构的支架，该方法目前只能制造出一层流道结构，很难制造出具有复杂血管网络的三维支架，且制造效率低;Seck等［11］以可降解的聚乙二醇和聚D，L-乳酸为材料，利用光固化快速成型方法，制造出的三维多孔水凝胶支架，且具有良好的机械性能、孔隙连接性和生物相容性，该方法将光固化与快速成型技术相结合，提高了支架的成型精度与制造效率。

2.2 微制造技术成型

微制造技术是一种精细加工方法，能够在支架上成型设计好的流道结构，精度较高。朱琳等［12］使用光固化成型机，制造出具有微流道结构的树脂支架，通过微复型技术翻模得到硅胶模具，在以琼脂糖/胶原复合制造单层支架，通过层层叠加得到三维支架。Huang［13］等通过流体动态分析，获得微血管流动参数模型，利用双层PDMS基板和AZ P4620光刻胶，采用光阻剂回流技术，获得圆柱型仿生血管管道结构，再通过微复型技术得到具有圆形流道的水凝胶支架，该技术可制造出不同直径的微流道，并形成连续的血管网络;Bettinger等［14，15］以硅板或PDMS为模具，利用光刻技术，在其表面刻出流道结构，以人工合成材料和丝素蛋白为材料，制造出具有微流道结构的支架，然后通过层层叠加形成具有出口和入口血管网络流道的三维支架。利用微制造技术制造的单层薄片支架，通过叠加形成多层支架，该方法可以扩大软组织支架制造中材料的选择范围，或通过先制造单层支架再组装形成三维支架，其应用也越来越广泛，但层间结合强度有限，而且单层支架的机械性能差，组装后支架内部立体流道网络的结构和连续性难以保证。

2.3 三维打印技术成型

三维打印技术首先是由麻省理工学院成功开发，并很快用于组织工程支架的制备。三维打印技术制备支架时，打印喷头依次“打印”出支架材料和粘合剂(通常为溶剂)，在计算机控制下，按预定程序逐层打印，即形成三维支架。三维打印技术已被应用到生物制造和医学领域，现已有研究通过三维打印技术制出造血管或其它组织器官［16，17］。Miller等［18］使用多糖材料，利用三维打印机打印出管状网络结构，以此作为消失模，同时为防止多糖溶解时影响外部基质环境，在消失模外层涂覆一层聚乳酸-羟基乙酸共聚物，然后将水凝胶材料倒入模具当中，使其凝固，在加热使多糖网络结构溶解消失，最终得到具有微流道的水凝胶三维支架;颜永年［19］等以壳聚糖/明胶为材料，采用三维打印技术直接制造出三维支架，其内部流道为圆柱形，孔径约为100～300μm，但是制造的流道结构保持较差，结构不规则。三维打印技术与仅适用于特定生物材料的成型方法相比较，它几乎适用于所有膏状生物材料，为构建组织支架提供了更多的可能和选择，而且能够成型复杂结构［20］，但制作支架使用材料多为天然生物材料，如胶原、明胶等，强度不高，结构保持性较弱，发展具有高强度生物材料支架的三维打印技术，正成为软组织支架制作及其血管化的研究热点。

2.4 其他成型方法

除上述方法外，制作具有微流道结构的软组织支架还有一些其他的方法。如Wong等［21］在PDMS中插入安特定顺序排列的针头，注入纤维蛋白凝胶，凝固后取出针头，从而得到具有流道的支架，该方法具有成本低，操作简单的优点;王烨等［22］结合使用分层制作技术、微压印技术和冷冻干燥技术，设计制造了三维分层压印成型机，使用该成型机，以丝素蛋白为材料，最终得到具有微流道系统的三维支架，该方法使用成型机自动加工成型支架，提高了支架的制作精度与制造效率;毛茅等［23］以丝素蛋白和明胶混合溶液为支架材料，将其灌注到应用快速成型技术制备的支架模具中，脱模之后冷冻干燥处理，经过卷裹后，得到三维支架，该方法操作简便，但成形结构单一，制作效率较低。

3 展望

目前，在组织工程领域中，微流道软组织支架的成型方法众多。现从材料、微流道结构和成型技术三方面对微流道软组织支架的研究进行展望:

(1)材料。支架材料种类繁多，各具优缺点，但目前还没有一种材料能够完全符合软组织支架材料的要求。由于软组织对细胞外基质要求比较高，而天然生物材料与细胞外基质相似，适合制造软组织支架，较其他材料更具优势，但天然生物材料强度不高，因此应用聚合或者化学修饰等手段对支架材料进行处理，从而改善其机械性能与生物学特性，这将是今后软组织支架材料研究的主要方向。

(2)微流道结构。随着各种先进制造技术的日趋发展成熟，微流道结构支架的制造可以通过各种方式实现。然而流道截面结构往往多是方形，但这与人体近似圆形的血管截面并不相同，而且圆形流道与方形流道，在流体剪应力和对细胞诱导生长方面，有很大的不同［24］。如何在支架当中制造出复杂、可控的圆形截面的微流道网络系统将是一个难点，也将是血管化研究中的一个突破点。

(3)成型技术。快速成型技术具有成型复杂结构的制造优势。光固化快速成型技术和三维打印技术等快速成型方法，已成为微流道组织支架制造的重要手段，并将得到更全面、更快速的发展。

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R329

A

1002-2376(2015)01-0019-03

胥光申，E-mail:xuguangsheng@sohu．com

2014-11-02