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3D 打印水凝胶支架修复“小弟弟”!

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简介华南理工大学和俄克拉荷马大学的科学家,在世界著名的期刊杂志Nature Communications 发表了一篇重磅文章。关于3D打印水凝胶支架修复雄性的“小弟弟”,恢复勃起和射精功能。如果进一

华南理工大学和俄克拉荷马大学的科学家,在世界著名的期刊杂志Nature Communications 发表了一篇重磅文章。关于3D打印水凝胶支架修复雄性的“小弟弟”,恢复勃起和射精功能。如果进一步完善技术,其研究成果未来有可能为有需求的男性重振雄风。

海绵状组织是阴茎的重要组成部分。具有完整海绵窦结构的健康海绵组织是维持阴茎正常勃起功能和泌尿功能的前提。作为末端器官,阴茎海绵体不能通过再生得到修复,而人工修复受伤海绵体往往会受到解刨学、美学、功能方面和伦理道德的挑战。因此,迫切需要探索一种有效的海绵体重建再生治疗方法。

由于海绵窦的复杂结构和满足其生理功能所必需的特殊机械性能,用于海绵体修复的生物材料必须具有良好的加工性能,适当的机械性能和生物相容性。另外,海绵体的正常组织功能(例如勃起和射精),取决于海绵窦内微血管系统的正常循环和血液供应。因此微血管系统的重建在海绵体功能的恢复中起着至关重要的作用。

生物工程血管化海绵体实现海绵体修复

基于此,华南理工大学施雪涛教授和美国俄克拉荷马大学毛传斌教授构建了一种表面有肝素涂层的3D打印水凝胶支架,并向其中植入了缺氧诱导因子(HIF-1α)突变的肌源性干细胞(MDSCs),以制备生物工程血管化海绵体。将这种水凝胶支架植入海绵体缺损的兔模型中,显示出良好的生物相容性,无免疫排斥反应,支持血管组织向内生长并促进新血管生成以修复缺陷。对修复后海绵体组织的形态、海绵体内压力、弹性和收缩性的评价证明3D打印水凝胶支架不仅成功修复了阴茎缺损并恢复了阴茎勃起和射精功能,恢复了受伤雄兔的生殖能力。

图1 兔海绵体损伤修复示意图

生物工程血管化海绵体的制备

鉴于调节血管生长因子的关键转录激活因子HIF-1α的表达对氧非常敏感,作者通过慢病毒转染基因突变技术制备了HIF-1α过表达的MDSCs(mHIF-1α MDSCs)。这种mHIF-1α MDSCs不仅在常氧和低氧状态下稳定且高水平地表达HIF-1α,而且在HIF-1α的调节下明显提高血管生成相关因子的表达,从而促进新血管的形成。此外,肝素是一种荷负电的多糖大分子,对血管生成因子具有良好的亲和力,可以通过结合血管生成蛋白,如血管内皮生长因子(VEGF),提高其稳定性,从而加速新生血管的形成。因此,作者首先利用2%甲基丙烯酸酯化透明质酸(HAMA)、15%甲基丙烯酰胺改性的明胶(GelMA)和0.5%光引发剂(12959)作为3D打印墨水,3D打印制备得到具有良好生物相容性和可降解性的3D打印水凝胶支架。然后利用聚赖氨酸(PLL)层层自组装的方式,将肝素沉积到3D打印的水凝胶支架上。最后将mHIF-1α MDSCs接种到肝素涂层支架上,再将其植入损伤的海绵体中(图1)。

图2 细胞负载的3D水凝胶支架在裸鼠皮下植入的实验评价

生物工程血管化海绵体促进血管再生

由于3D打印水凝胶支架具有多尺度的多孔结构,类似于原始的阴茎海绵体组织。在植入后作者发现水凝胶支架材料与自体组织完全相容,无组织坏死(图2a)。作者进一步通过研究发现,负载mHIF-1α MDSCs和肝素的3D水凝胶支架中出现了最多的新生血管,并且在材料降解的同时,新生组织开始在整个支架上生长,填满支架的孔隙,从而保持甚至提高了支架的抗压强度。此外,3D打印水凝胶支架表面的肝素可以特异性结合血管生成因子,延长这些生长因子的有效时间,促进血管再生,增加组织中的血管密度(图2ef)。

图3在修复的海绵体中检测ICP、MAP和器官浴试验

生物工程血管化海绵体实现生理功能的恢复

作者通过对3D打印水凝胶支架进行压缩试验和循环压缩试验发现,水凝胶支架的杨氏模量(40.14 ± 9.03 kPa)接近天然海绵体(〜20 kPa)。并且在20次循环压缩测试(应力高达40 kPa)后仍保持其原始机械性能,未出现任何损坏(在男性勃起功能中结构应力的升高范围为5.1-31.5 kPa)。证明阴茎结构应力的升高不会对植入支架造成损伤。此外,功能评价和组织学形态表明,HIF-1α变异MDSCs负载水凝胶支架可以实现受伤阴茎海绵体的修复,其腔内压力(ICP)和平均动脉压(MAP)均可类比于正常海绵体,并且相对最大收缩力(MCF)可达原体海绵体的77%(图3)。此外,被HIF-1α变异MDSCs负载水凝胶支架修复的雄性兔子通过交配在4个月内成功繁育出下一代(图4),而对照组的雄性兔子没有或只繁育出一只兔子,进一步证实其生理功能的恢复(包括勃起功能和射精功能)。

图4 HIF-1α变异MDSCs负载水凝胶支架修复的雄性兔子生理功能的恢复

总结与展望

3D打印水凝胶支架成功修复海绵体缺损,恢复其勃起和射精功能,使模型兔恢复生殖能力。这种修复策略对于海绵体重建恢复男性生殖能力具有重要的价值。除了修复海绵体组织缺损外,这类3D打印支架还具有修复其他含血管组织的潜力(例如皮肤、鼻组织和心肌组织等)。

来源: 高分子科学前沿