《BMC Biomedical Engineering》：Development of a 3D-printed synthetic tracheal scaffold for partial tracheal wall reconstruction: an experimental animal study
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背景气管重建仍是一个重大的临床挑战，因为维持气道通畅性和促进上皮再生在气管损伤或切除后十分困难。组织工程的最新进展已探索了3D打印支架作为潜在解决方案；然而，支架的生物相容性、机械稳定性以及与宿主组织的整合仍存在局限性。本研究评估了非生物降解聚氨酯-聚氯乙烯（
背景气管重建仍是一个重大的临床挑战，因为维持气道通畅性和促进上皮再生在气管损伤或切除后十分困难。组织工程的最新进展已探索了3D打印支架作为潜在解决方案；然而，支架的生物相容性、机械稳定性以及与宿主组织的整合仍存在局限性。本研究评估了非生物降解聚氨酯-聚氯乙烯（PU-PVC）复合支架在兔模型中进行部分气管壁重建的可行性。方法九只新西兰白兔使用定制化半管状PU-PVC支架进行前气管壁重建。在植入前对支架的机械性能进行了表征。动物被监测30天，随后进行支气管镜评估以检查管腔通畅性。进行组织学分析以评估上皮化和炎症反应。还对取出后的支架进行了结构完整性和机械稳定性评估。结果30天存活率为88.9%（8/9；95% CI 51.8%–99.7%），其中一例死亡发生在术后第14天。支气管镜检查显示所有存活动物的管腔完全通畅，无狭窄、阻塞或黏液栓的证据。组织学发现显示上皮化程度不一，50%（4/8）的兔呈现良好的上皮覆盖并伴有轻度炎症，而其余动物则表现出部分或极少的上皮化，伴随更严重的炎症反应。取出后评估显示支架结构和机械性能得以保持，植入后仅拉伸强度和孔隙率有微小变化。结论在这项初步的单队列可行性研究中，PU-PVC复合支架在兔模型中进行部分气管壁重建后，在30天观察期内维持了气道通畅性，并显示出可接受的短期机械稳定性。尽管上皮化结果不一且未包含对照组，但这些发现支持对该支架平台进行进一步的临床前研究；然而，长期安全性、耐久性和生物整合仍有待确定。未来研究应纳入适当的对照组、更长的随访期、气道通畅性的定量评估，以及细胞接种或生长因子等生物活性修饰，以增强组织再生并更好地界定支架的转化潜力。
**论文解读：用于部分气管壁重建的3D打印合成气管支架的实验动物研究**
**研究背景与问题**
气管重建是胸外科领域最具挑战性的难题之一，尤其当直接端端吻合不可行或失败后。主要适应症包括恶性肿瘤（如鳞状细胞癌、腺样囊性癌）、气管食管瘘、创伤、良性疾病手术失败及先天性狭窄。由于缺乏有效的替代物进行手术重建，气管缺损带来了显著的临床挑战。当前的金标准治疗——手术切除加端端吻合——仅在成人切除段不超过气管长度一半、儿童不超过三分之一时可行。即使技术上可行，原发性吻合也面临诸多挑战：气管的节段性血供使吻合口极易发生缺血和裂开；气管固有的刚性和有限活动度对最大切除长度施加了严格限制，以避免缝线处过度张力；术后愈合过程本身常成为并发症来源，慢性炎症和缝线反应性肉芽组织形成可导致再狭窄，而纤毛上皮的破坏则导致黏液清除障碍和反复呼吸道感染。传统方法如心包补片、自体移植物和滑动气管成形术往往效果不佳或不切实际；支架或T形管等替代方案则伴有并发症和生活质量下降；自体移植物、同种异体移植物或假体则面临炎症、感染和生理特性不匹配等限制。因此，理想的气管替代物必须紧密复制原生气管的复杂解剖和功能。
近年来，组织工程和增材制造技术的进步加速了患者特异性气管替代物的开发。许多研究探索了由聚己内酯（PCL）、聚乳酸（PLA）及其复合材料制成的3D打印可生物降解支架。这些支架可定制化架构和孔结构，促进细胞浸润和组织再生。同时，结合细胞外基质成分、干细胞、上皮细胞、软骨细胞和生长因子的仿生策略已被探索以增强上皮化和改善与宿主组织的功能整合。尽管临床前结果令人鼓舞，许多可生物降解支架仍存在与机械强度不足、不可控降解、肉芽组织形成、气道狭窄和不完全黏膜再生相关的并发症。因此，在结构稳定性与生物整合之间保持平衡仍是气管组织工程的主要挑战。
**研究目的与意义**
鉴于上述限制，研究人员继续探索具有增强机械耐久性的替代支架设计。本研究评估了一种使用3D打印技术制造的非生物降解聚氨酯-聚氯乙烯（PU-PVC）复合支架。与在降解过程中逐渐失去机械完整性的可生物降解结构不同，该支架旨在在愈合过程中提供结构支撑。本研究旨在生成关于其短期体内性能的初步可行性数据。研究目标是在兔部分气管壁重建模型中评估支架的短期机械性能、气道通畅性和组织学反应。该研究发表于《BMC Biomedical Engineering》。
**主要关键技术方法**
研究人员采用挤出式熔融沉积成型（FDM）3D打印技术，以聚氨酯（PU）与聚氯乙烯（PVC）重量比70:30的复合物制造支架，打印温度180°C，层厚200 μm，丝间距400–500 μm，填充密度50%。支架设计为内径8 mm、长度15 mm的半管状结构，以匹配新西兰白兔的前气管壁缺损。样本队列来源于9只雌性、3月龄、体重2.5–3 kg的新西兰白兔，均来自SUMS实验医学中心。用于评估的关键技术包括：机械性能测试（拉伸、压缩、孔隙率）、支气管镜评估、组织学分析（H&E染色）、以及取出后支架的机械和结构再评估。
**研究结果**
**存活率与术后观察：** 通过30天监测，30天存活率为88.9%（8/9；95%置信区间51.8%–99.7%）。一例兔在术后第14天死亡，死前3天出现颈部皮下气肿，尸检显示重建气管周围皮下气肿和脓性分泌物，但未进行微生物培养、组织病理学评估和气道完整性正式评估，确切死因无法确定，可能包括感染、吻合口或缝线失败或两者兼有。其余8只兔成功监测至研究终点。
**支架机械表征：** 植入前，PU-PVC复合支架表现出优异的机械性能：高拉伸强度（25±3 MPa）、高断裂伸长率（350±50%）、高压缩强度（800±100 kPa）和弹性模量（150±20 MPa）。植入30天后，取出后支架保留了大部分机械完整性：拉伸强度轻微下降至23±4 MPa，断裂伸长率降至320±60%，压缩强度降至750±120 kPa，弹性模量降至145±25 MPa。孔隙率从植入前的60±5%降至55±8%，密度无显著变化（1.21±0.07 g/cm3），表明无显著膨胀、质量损失或结构损害。
**支气管镜检查与管腔通畅性：** 在30天终点，对所有存活兔进行支气管镜检查，使用6 mm探头评估管腔通畅性。结果显示所有存活动物的气管腔完全通畅（100%通畅，1级），无狭窄、阻塞、黏液栓或脓性分泌物，表明气道在研究期间保持清洁通畅。
**组织学检查：** H&E染色切片由一名盲法病理学家进行半定量评估。上皮化分级：1级（良好，>50%覆盖）、2级（不良，<50%覆盖）、3级（极少，极少或无覆盖）。结果显示：50%（4/8）的兔呈现良好上皮化并伴有轻度炎症（1级）；25%（2/8）呈现不良上皮化并伴有中度炎症（2级）；25%（2/8）呈现极少上皮化并伴有重度炎症（3级）。炎症反应评估：良好上皮化病例中，炎症为轻度至中度，提示新生组织与原生气管和支架整合良好；不良或极少上皮化病例中，炎症为中度至重度，可能表明愈合过程不完全和支架整合存在挑战。
**讨论与结论**
**总结讨论：** 研究人员指出，气管重建仍是一项具有挑战性的临床工作。本研究并非旨在开发高度工程化的仿生构建物，而是评估一种简单、本地制造的支架平台在部分气管壁缺损模型中维持气道通畅性的可行性。观察到的短期体内反应、机械稳定性和成本效益使该支架成为初步实验的有吸引力选择。然而，观察到上皮化程度不一，仅50%的兔达到良好上皮化，且部分动物出现持续炎症反应，提示生物整合不完全。研究人员认为，上皮化不足可能源于30天观察期较短、感染控制措施可改进、手术技术差异以及缺乏适当的细胞外基质（ECM）支持。尽管所有存活动物在30天时管腔完全通畅，但这一发现应谨慎解读：气道口径的维持可能部分归因于非降解PU-PVC支架的机械支撑，而非完全的生理性组织修复或功能再生。支气管镜与组织学结果之间的明显差异表明，短期气道通畅性并不必然反映完全生物整合或黏膜再生。此外，观察期仅30天，无法充分评估延迟并发症如进行性肉芽组织形成、慢性炎症、气道重塑和继发性狭窄。因此，当前发现应视为短期结构可行性而非长期功能成功。研究还指出，支架的力学性能未与原生兔气管组织直接比较，微结构表征也未进行，这些应在未来研究中解决。
**研究结论翻译：** 在这项初步可行性研究中，PU-PVC复合支架在兔部分气管壁重建模型植入后，在30天观察期内维持了气道通畅性并保持了其结构完整性。然而，上皮化结果不一，并且在部分动物中观察到持续的炎症反应，表明生物整合不完全。尽管在研究终点未观察到支气管镜下的气道狭窄证据，但相对较短的随访期可能不足以检测延迟并发症，如进行性肉芽组织形成、气道重塑或继发性狭窄。因此，当前发现应解释为短期机械可行性和早期体内性能的证据，而非长期功能成功。鉴于观察期短、缺乏对照组和全面的生物相容性测试，需要进一步的研究纳入更长的随访时间、系列气道评估、适当的对照组、定量气道评估和全面的生物安全性测试，以确定支架的长期性能、安全性和转化潜力。
