华南理工《Nat. Commun.》：3D打印水凝胶支架实现海绵体修复

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来源：新材料资讯

作者：DANDYLR

海绵体组织是阴茎的重要组成部分。健康的海绵体组织和完整的海绵窦结构是维持阴茎正常勃起功能和泌尿功能的先决条件。作为末端器官，阴茎海绵体不能通过再生修复。由于解剖学、美学和功能上的种种困难，损伤的海绵体的修复一直是一个难题。同种异体阴茎移植，因为伦理问题一直存在争议。由于来源有限，潜在的免疫原性，低孔隙率，不能完全恢复阴茎功能。因此，迫切需要探索有效的海绵体重建再生治疗方法。在临床应用中,传统的合成聚合物支架(如：聚L-乳酸(PLA)和聚乙醇酸(PGA)),作为修复材料,无法重建海绵体的多孔且刚韧特性而导致其在压缩和摩擦过程中的支架与周围的原始组织产生二次损伤。

基于这些需求，华南理工大学施雪涛团队等合作选择可以制作出具有复杂仿生结构的3D打印技术以及一种可打印生物墨水，从而获得具有类似阴茎海绵体组织的多孔结构的3D打印水凝胶支架。之所以选择水凝胶支架，是因为它具有机械强度高的多孔结构，为细胞生长、粘附和迁移提供了良好的微环境和空间，从而在结构和机械上与天然海绵体相匹配。在阴茎体的组织工程中，增生的纤维组织通常在缺损部位缺氧或缺血的环境中形成，与原器官的结构和功能有很大的不同，可能导致组织功能的下降。高纤维组织的增加主要是由于血管的缺乏和修复缓慢造成的供氧不足。此外，阴茎海绵体的正常组织功能，如勃起和射精，取决于海绵体窦内微血管系统的正常循环和血液供应。微血管系统的重建对海绵体功能的恢复起着至关重要的作用。因此，团队设计了一种具有多尺度多孔结构的仿生3d打印水凝胶支架，同时对支架和细胞进行改进，以减少缺损部位周围的纤维化，修复海绵体组织的血管网络和生理功能。将生物可降解支架与MDSCs一起植入兔海绵体缺损模型中，表现出良好的组织相容性，无免疫排斥反应，促进新生血管形成，修复缺损。对修复后海绵体组织的形态、海绵体内压力、弹性和收缩的评价证明生物工程体支架修复了阴茎缺损，成功恢复了阴茎勃起和射精功能，恢复了受伤雄兔的生殖能力。由此，3D打印的血管生成细胞水凝胶对阴茎重建恢复男性生殖能力有很大的希望。该研究成果以“Functional reconstruction of injured corpus cavernosa using 3D-printed hydrogel scaffolds seeded with HIF-1α-expressing stem cells”为题发表在国际著名期刊Nature Communications 上。

图1-兔海绵体损伤修复示意图。

考虑到低氧诱导的表达因子(HIF-1α),一种调节血管生长因子的关键转录激活因子，对常氧敏感,团队基于慢病毒转染基因突变设计了HIF-1α过度表达的肌源性干细胞(MDSCs)。这些突变MDSCs在常氧和缺氧下不仅有HIF-1α稳定和高级的表达而且会促进血管再生。此外，肝素是一种负电荷的多糖大分子，对血管生成因子具有良好的亲和力，可通过结合血管生成蛋白如血管内皮生长因子(VEGF)来加速新生血管形成，并提高其稳定性。因此，使用聚L -赖氨酸(PLL)逐层组装，将肝素沉积到3D打印的水凝胶支架上。那么这些HIF-1α突变MDSCs被种植到肝素沉积的水凝胶支架上,进一步植入受伤的海绵体。令人惊喜的是，HIF-1α和VEGF的表达诱导了水凝胶支架上的血管生成，有效修复受伤的阴茎海绵体，4个月内恢复了阴茎勃起和射精功能(图1)。血管生成因子VEGF、HIF-1α吸附在3D打印的水凝胶支架的肝素表面，然后刺激体内血管形成。新生血管的增加进一步促进了损伤的阴茎海绵体勃起和射精功能的恢复。

3D打印水凝胶支架: 采用紫外-光交联法制备了3D打印水凝胶支架。该支架由两种生物相容性成分甲基丙烯酸透明质酸(HAMA)和甲基丙烯酰胺修饰明胶(GelMA)组成。由2% HAMA、15% GelMA和0.5%光引发剂组成的3D油墨具有良好的剪切变稀性能使油墨具有良好的打印适性。水凝胶支架具有显著的力学强度，3D打印水凝胶支架杨氏模量(40.14±9.03 kPa)接近天然海绵体(~20 kPa)。经过20次循环压缩试验(应力高达40 kPa)后，仍保持了原有的力学性能，没有任何损伤，勃起结构应力范围为5.1-31.5 kPa，这表明阴茎勃起结构应力的升高不会损伤植入的支架。肝素通过PLL逐层组装沉积在3D水凝胶支架表面且不会影响动物体内的凝血。

图2-兔海绵体损伤模型建立及MRI监测。

肝素涂层支架在血管生成方面优于无肝素支架，因此被用于修复阴茎海绵体组织缺损。将设计形状的肝素涂层3d打印水凝胶支架植入模型兔海绵体损伤部位(图2)。术后2-4个月，海绵体就已经极其良好的修复，并且手术伤疤很小。HIF-1α也促进了受伤海绵体的愈合，对于血管的生成和勃起、射精功能等的修复起到积极的作用。并实现与雌兔完美交配，顺利产下健康小兔(图3)。

图3:五组不同处理后兔的出生时间点及新生兔数。

总之，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。3D打印的水凝胶支架经过20个循环的压缩试验，仍然保持原有的力学性能，没有任何损伤。阴茎勃起结构应力的升高不会对植入支架造成损伤。该支架具有良好的生物相容性（细胞存活率超过94%),支持粘附、增殖和细胞分化,血管再生，促使勃起功能和射精功能良好恢复，并支持交配行为。

这是首次报道3D打印生物工程支架成功修复海绵体缺陷，恢复勃起和射精功能，使兔子恢复生殖能力。除了修复海绵体组织缺损外，这些3d打印支架还有修复其他带血管的组织的潜力，如皮肤、鼻组织和心肌组织。

论文链接

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16192-x

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