人工仿生脊髓导管的制备及性能分析

中国组织工程研究第20卷第21期2016–05–20出版ChineseJournalofTissueEngineeringResearchMay20,2016Vol.20,No.21ISSN2095-4344CN21-1581/RCODEN:ZLKHAH3045·研究原著·朱祥，男，1988年生，河南省驻马店市人，汉族，天津中医药大学在读硕士，主要从事神经内科、脊髓组织工程等方面研究。并列第一作者：陈旭义，男，浙江省温州市人，汉族，博士，主治医师，硕士生导师，主要从事神经创伤与再生、组织工程、三维打印、生物力学研究及神经外科专业。通讯作者：涂悦，教授，硕士生导师，武警后勤学院附属医院脑科医院，天津市300162中图分类号:R318文献标识码:A文章编号:2095-4344(2016)21-03045-06稿件接受：2016-03-16，陈旭义2，李瑞欣3，邢冉1，李东4，涂悦2(1天津中医药大学，天津市300193；2武警后勤学院附属医院脑科医院，脑创伤与神经疾病研究所，天津市神经创伤修复重点实验室，天津市300162；3解放军军事医学科学院卫生装备研究所，天津市300161；4天津医科大学总医院骨科，天津市300052)引用本文：朱祥，陈旭义，李瑞欣，邢冉，李东，涂悦.人工仿生脊髓导管的制备及性能分析[J].中国组织工程研究，2016，20(21):3045-3050.DOI:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.21.001ORCID:0000-0002-5469-8868(涂悦)文章快速阅读：文题释义：人工仿生脊髓导管制备方法：有物理和化学交联法、相分离法、快速成型技术、低温干燥法等，不能满足脊髓导管精密的内部结构和直径小的需求。3D打印技术制备人工脊髓导管：克服了传统制造方法中存在的导管复杂外形制造困难和内部微结构无法控制的缺陷，对脊髓模型的内部结构进一步优化，设计出一个模拟脊髓白质的微结构，实现复杂形状的导管和精细的内部结构，引导轴突在特定的通道中生长。摘要背景：传统的组织工程导管制造方法存在复杂外形制造困难和内部空间结构无法控制的缺陷，不能满足一些微导管所要求的精确性和空间结构复杂性。目的：设计一种人工仿生脊髓导管，并研究其性能。方法：采用SolidWorks制图软件建立导管数据模型，在3D打印机上生成平台扫描路径，以丝素蛋白和胶原蛋白为原料，制作人工仿生脊髓导管，检测导管的吸水率、孔隙率、力学性能及细胞相容性。将人工仿生脊髓导管置入SD大鼠背部皮下，置入后1，2，3，4周取出导管，观察导管降解情况。结果与结论：人工仿生脊髓导管的微观孔隙分布均匀，大小不等，孔径为10-240μm，孔隙率为(53.6±1.0)%，吸水膨胀率为(1347.0±19.4)%，压缩弹性模量为(0.60±0.12)MPa；神经干细胞可在人工仿生脊髓导管孔隙中生长，呈球形或梭形，在导管表面密集生长，有些细胞伸出伪足附着在导管表面。人工仿生脊髓导管置入SD大鼠背部皮下1周后降解20%，2周后降解59%，3周时降解74%，4周后完全降解。结果表明人工仿生脊髓导管具有良好的细胞相容性及降解性。关键词：生物材料；材料相容性；丝素蛋白；胶原蛋白；3D打印；人工仿生脊髓导管；国家自然科学基金主题词：生物降解，环境；脊髓；组织工程基金资助：天津市科技支撑计划重点项目(14ZCZDGX00500)；国家自然科学基金青年项目(11102235)；天津市自然科学基金重点项目(12JCZDJC24100)；天津市卫生局科技基金项目(2014KZ135)；武警后勤学院附属医院种子基金项目(FYM201432)人工仿生脊髓导管的制备胶原蛋白丝素蛋白3D打印孔隙率扫描电镜力学性能体内降解吸水率朱祥，等.人工仿生脊髓导管的制备及性能分析P.O.Box10002,Shenyang110180’sdegree,TianjinUniversityofTraditionalChineseMedicine,Tianjin300193,ChinaChenXu-yi,M.D.,Attendingphysician,Master’ssupervisor,AffiliatedBrainHospitalofLogisticsUniversityofChinesePeople’sArmedPoliceForce,InstituteofBrainTraumaandNeurologicalDisorders,NeurotraumaRepairKeyLaboratoryofTianjin,Tianjin300162,ChinaZhuXiangandChenXu-yicontributedequallytothiswork.Correspondingauthor:TuYue,Professor,Master’ssupervisor,AffiliatedBrainHospitalofLogisticsUniversityofChinesePeople’sArmedPoliceForce,InstituteofBrainTraumaandNeurologicalDisorders,NeurotraumaRepairKeyLaboratoryofTianjin,Tianjin300162,ChinaPreparationandperformanceofabionicspinalcatheterZhuXiang1,ChenXu-yi2,LiRui-xin3,XingRan1,LiDong4,TuYue2(1TianjinUniversityofTraditionalChineseMedicine,Tianjin300193,China;2AffiliatedBrainHospitalofLogisticsUniversityofChinesePeople’sArmedPoliceForce,InstituteofBrainTraumaandNeurologicalDisorders,NeurotraumaRepairKeyLaboratoryofTianjin,Tianjin300162,China;3MedicalEquipmentInstituteofMilitaryMedicalSciencesAcademy,Tianjin300161,China;4DepartmentofOrthopedics,GeneralHospitalofTianjinMedicalUniversity,Tianjin300052,China)AbstractBACKGROUND:Thetraditionalmethodofpreparingtissue-engineeredconduithasthedefectsofcomplexshapemanufacturinganduncontrollableinnerspacestructure,whichcannotmeettherequirementsofsomemicro-catheters.OBJECTIVE:Toprepareabionicspinalcatheterandanalyzeitsperformance.METHODS:ThedatamodeloftheconduitwasestablishedusingSolidWorkssoftware,andplatformscanpathwasgeneratedonthree-dimensionalprintertoproducethebionicspinalcatheterwithfibroinandcollagenasrawmaterials.Thenthewaterabsorption,porosity,mechanicalpropertiesandcellularcompatibilityoftheconduitsweredetected.Next,theconduitswereimplantedintothesubcutaneoustissueofratsandtakenoutat1,2,3and4weeksaftersurgery,respectively,toobservethedegradation.RESULTSANDCONCLUSION:Theporosityoftheconduitwas(53.6±1.0)%,thewaterabsorptionwas(1347±19.4)%,andthecompressionmoduluswas(0.60±0.12)MPa.Themicroporesdistributeduniformlywithdifferentsizerangingfrom10to240μm.Sphericalorfusiformstemcellssurvivedintheporesanddenselyadheredtotheconduitwithpseudopodia.Thedegradationrateoftheconduitwas20%,59%,74%and100%at1,2,3and4weeksaftersurgery,respectively.Thesefindingsindicatethattheartificialbionicspinalcatheterhasgoodbiocompatibilityanddegradability.Subjectheadings:Biodegradation,Environmental;SpinalCord;TissueEngineeringFunding:theKeyProjectsofTianjinScienceandTechnologySupportProgram,No.14ZCZDGX00500;theNationalNaturalScienceFoundationofChina,No.11102235;TianjinNaturalScienceFoundationofChina,No.12JCZDJC24100;ScienceandTechnologyFundProjectofTianjinPublicHealthBureau,No.2014KZ135;theSeedingFundoftheAffiliatedHospitalofLogisticsUniversityofChinesePeople’sArmedPoliceForce,No.FYM201432Citethisarticle:ZhuX,ChenXY,LiRX,XingR,LiD,TuY.Preparationandperformanceofabionicspinalcatheter.ZhongguoZuzhiGongchengYanjiu.2016;20(21):3045-3050.0引言Introduction原发性和继发性脊髓损伤后，轴突的再生受到多种抑制因素的限制[1-2]，一个主要的抑制因素是囊肿和胶质瘢痕的形成[3-4]。重建被囊肿和胶质瘢痕破坏的神经需要载体提供支持，引导轴突的生长。脊髓组织工程的发展为其提供了希望，脊髓组织工程包括脊髓导管材料、生长因子、种子细胞，以及神经再生的评价，导管材料在神经修复中至关重要。在动物实验中，脊髓导管的结构和尺寸由于传统制造技术的局限而被限制。脊髓植入物的直径在大鼠动物实验中只有3mm[5]。传统的制造技术，如溶液浇铸技术、物理和化学交联法、挤压技术等不能满足脊髓导管精密的内部结构和直径小的需求。3D打印技术的出现为脊髓组织工程提供了一种新的可行方法。与传统技术相比，3D打印在脊髓组织工程中具有明显的优势，脊髓导管内部微结构和外形的可控性可能会促进轴突再生及神经的修复。目前，