膀胱修复的未来工程：生物相容性3D打印支架能否成为膀胱外翻治疗中肠道替代的新方案？

《Advances in Urology》：Engineering the Future of Bladder Repair: Can Biocompatible 3D-Printed Scaffolds Serve as a Novel Alternative to Intestinal Segments for the Treatment of Bladder Exstrophy?

本文前瞻性探讨了采用聚乳酸（PLA）、热塑性聚氨酯（TPU）和聚乙烯醇（PVA）构建的多层3D打印支架在膀胱修复中的潜力。研究通过兔模型验证了该支架在机械性能（弹性模量1.2±0.3 GPa，拉伸强度18.5±2.1 MPa）、化学稳定性及生物相容性方面的优势，显示其可实现完整尿路上皮再生并减少术后并发症，为替代传统肠段膀胱成形术提供了新材料策略。

　　

引言

膀胱重建术是治疗复杂性下尿路功能障碍的关键手段，主要适用于神经源性膀胱功能障碍、膀胱外翻-尿道上裂复合体以及盆腔恶性肿瘤治疗后并发症。目前临床金标准为肠膀胱扩大术（enterocystoplasty），但存在代谢紊乱、感染、结石形成等显著风险。因此，开发更安全、功能更优的合成替代材料成为迫切需求。

近年来，合成支架因其免疫原性低、机械性能优越而受到关注。其中，3D生物打印技术能够精确控制支架的解剖结构和生物特性，通过空间定向沉积生物材料、细胞和生物活性因子，显著提升支架的生物学性能。聚乳酸（PLA）提供生物可降解性和机械支撑力，热塑性聚氨酯（TPU）赋予材料弹性和柔韧性，聚乙烯醇（PVA）则增强亲水性、促进细胞粘附并维持结构稳定性。本研究首次将这三种材料组合成多层3D打印膀胱支架，旨在评估其在膀胱修复中的可行性、安全性和有效性。

材料与方法

本研究使用成年白兔作为动物模型，所有实验流程均经伦理审查批准（ID：IR.SUMS.AEC.1401.022）。动物在标准实验室条件下饲养，接受规范术前准备与麻醉。手术通过中线腹腔切口暴露膀胱，制造1×1 cm全层缺损，并使用多层合成支架进行修复，采用可吸收缝线实现水密闭合。

支架采用计算机辅助设计（CAD）建模，并依据良好生产规范（GMP）条件制备。其结构总厚度为1.2 mm，包括0.5 mm PLA基层（提供结构支持）、0.5 mm TPU中间层（赋予弹性）和0.2 mm PVA顶层（增强亲水性与细胞相容性）。支架具备六边形孔结构，孔径150–200 μm，以利于细胞浸润和组织重塑。

术后动物接受每日监测，包括体重、活动、摄食及泌尿功能评估。60天后实施终点评估，包括大体病理学和组织学分析。支架在植入前经过严格的清洗和低温环氧乙烷灭菌处理，确保无菌性和生物相容性。

结果

机械性能测试显示，支架在模拟膀胱液中孵育60天后仍保持优异的力学性能，弹性模量为1.2±0.3 GPa，拉伸强度为18.5±2.1 MPa，伸长率仅从28%略微下降至25%。化学稳定性测试证实其结构完整，并能实现完全形状恢复。

动物实验中，所有兔子均存活且未见尿漏发生。尽管观察到轻度腹腔粘连和普遍的膀胱结石形成（cystolithiasis），但组织学分析显示植入区域实现完全尿路上皮再生，上皮平均厚度为45.2±8.7 μm，与天然膀胱组织接近。黏膜下层呈现轻度至中度纤维化及慢性炎症，但无急性炎症或坏死迹象。α-SMA阳性细胞的存在提示有平滑肌再生迹象。

与文献中常用的小肠黏膜下层（SIS）等生物支架相比，本研究所用合成支架在上皮化时间（60天 vs. 90天）、炎症控制等方面表现相当，且动物死亡率显著降低（0% vs. 15–20%）。手术效果良好，无吻合口漏，缝线保持完整。

讨论

本研究证实，基于PLA/TPU/PVA的3D打印多层支架在兔膀胱扩大术中具有良好应用前景。其表现出优异的生物相容性、机械耐久性及解剖适配性，能够支持快速上皮再生与组织整合，且未出现尿漏等严重手术并发症。

然而，研究中所有动物均出现膀胱结石，这可能与兔子尿液pH值较高（约8.5）、材料微结构界面特性及降解产物释放有关。微CT检测显示结石成分为磷酸钙，且无明显感染征象，表明其为无菌性结石。该现象与兔模型中其他生物支架的高结石发生率（75–100%）一致，提示物种特异性因素在结石形成中占重要地位。

本研究存在一定局限性，包括样本量较小（n=4）、缺乏长期随访及功能学评估（如尿动力学检测、屏障功能分子标记物表达）。此外，机械性能测试是在干燥条件下进行，未能全面模拟膀胱在生理环境中的力学行为。

未来研究方向包括优化材料表面改性以减少结石风险，引入生物活性分子促进组织再生，开展大型动物实验（如猪模型，尿液pH≈6.5）以区分物种差异与材料本身特性，并进行更长期的功能学评价。

结论

本研究成功开发了一种低成本、多材料的3D打印膀胱支架，并在兔模型中验证了其安全性、生物相容性和组织整合能力。该支架能够实现快速上皮化，避免尿漏，并表现出与生物支架相当甚至更优的炎症反应控制能力。尽管存在结石形成的问题，其整体性能支持其作为膀胱外翻等复杂泌尿系重建手术的潜在替代方案。后续需通过更大样本、更长期研究及功能验证进一步推动其临床转化。

利益冲突声明

作者声明无利益冲突。

作者贡献

M. Forooghi、A. G. Haghighi和H. Foroutan完成外科实验；M. Haghdel负责研究概念化；A. Askari与A. H. Hassani撰写初稿；A. S. Aloudal协助数据整理；M. H. Anbardar完成组织病理学分析；Sh. Yousufzai负责项目管理、修订及投稿。M. Forooghi与A. Askari为共同第一作者。

资金来源

本研究未接受外部资助。

致谢

在文稿撰写过程中，作者使用了Wordvice.ai进行语法检查和术语优化，以提高文本清晰度。作者对最终内容负责。