西京结构文献谈|水凝胶生物打印模拟具有复杂形状和高抗疲劳性能心脏瓣膜——进展与展望


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2022年3月(总第2期

作者:毛予,翟蒙恩,刘洋,唐敬达,锁志刚,杨剑

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引言

心脏瓣膜和声带等生物组织通过复杂的形状和高抗疲劳性能发挥作用。迄今为止,利用合成材料实现这两个属性是一个尚未解决的挑战。最近,西安交通大学唐敬达副教授美国哈佛大学锁志刚院士团队设计了异质结构的水凝胶成功应对这一挑战[1]。在本文中,通过CT数据对心脏瓣膜进行重建,采用立体光刻技术制作出异质水凝胶复合材料;模拟瓣叶的解剖结构,异质水凝胶复合材料主要由硬质的骨架结构和柔软的基质组成,两者均具有良好弹性和可伸缩性。在此,异质水凝胶复合材料表现出较高的抗疲劳性能。


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Highlight

本文亮点

1)介绍由异质水凝胶复合材料所制造的心脏瓣膜结构;


2)异质水凝胶复合材料具有较高的抗疲劳性能;


3)立体光刻法可用于制备具有复杂结构的异质水凝胶复合材料。


研究已证实,人体的柔软组织通常由大量的水 (30-80wt%) 和聚合物网络结构组成[2]。水分子作为液体介质,使其它分子完成迁移活动及各类反应[3.4]。这些人体组织通常具有复杂且不均匀的组织结构。例如,心脏瓣膜由细胞外基质和多层胶原纤维束组成,是调节循环血液流动所需的重要组织结构[5.6]。通常,心脏在人的一生中需完成约30亿次的搏动[7]

长期以来,合成具有复杂形状和高抗疲劳性能的水凝胶复合材料是困扰广大研究人员的一大难题,而这两种属性恰恰是实现诸多人体组织功能的前提。目前,已实现水凝胶复合材料制备的柔软人体组织,其应用主要包括组织修复及再生医学。但有研究表明,合成的水凝胶复合材料与人体组织并不完全相同,易发生组织结构的断裂;因而需要设计具有强韧界面的异质结构来实现高抗疲劳性能[3-13]。最近,关于水凝胶强韧粘接方面的研究取得了突破性进展[14],其基本原理为界面共价键、聚合物网络拓扑结构以及粘附体能量耗散的协同作用。此外,已制备出各种强韧的水凝胶复合材料以模拟人体组织结构[15]。硬纤维材料(如玻璃、纤维等)可嵌入水凝胶中以提高模量和韧性,但却限制了材料的延展性[16,18]。近期,已有学者提出嵌入软纤维材料以增加其韧性和抗疲劳性能并保持高延展性,其中弹性体纤维嵌入水凝胶中可达到1000J/m2以上的疲劳阈值[19-21]

本文通过采用异质水凝胶复合材料来解决这一问题,采用立体光刻技术制备水凝胶的三维骨架结构,另用浇注技术制备水凝胶基质。实验结果表明,具有异质结构的水凝胶复合材料兼具复杂结构和高抗疲劳性能的特点,骨架和基质结构均具有良好的弹性和可拉伸性。其中,骨架结构由金属离子络合作用增加了弹性模量,较基质更加坚硬;而当异质水凝胶复合材料受到拉伸时,基质结构的柔韧性可有效分散骨架结构的应力集中并增强其抗疲劳性能。异质水凝胶复合材料的疲劳阈值超过400J/m2,相比之下,天然橡胶其疲劳阈值仅为50J/m2[22]此外,本文中作者分别制作了均质和异质的水凝胶心脏瓣膜模型,前者在560个心动周期后即发生破裂,而后者在50,000个心动周期后依然保持完好无损。综上,实现复杂结构和高抗疲劳性的水凝胶复合材料为后续临床应用提供了更为广阔的平台。

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图1具有复杂形状和异质结构的瓣膜组织。

具有复杂形状和异质结构的瓣膜组织。(A) 人体的柔软组织(如心脏瓣膜)需兼具复杂的形状和高抗疲劳性能才能有效发挥自身功能;(B) 水凝胶复合材料制备成心脏模型,其内部由硬质水凝胶骨架和软质水凝胶基质构成;(C) 骨架和基质的聚合物网络呈拓扑结构缠结;(D–F) 具有复杂结构和高抗疲劳性能的异质水凝胶复合材料的制造工艺。

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图2 生物打印的骨架结构与复合材料。

(A–F)用立体光刻技术制作出各种形状的水凝胶骨架结构:(A)兰花状结构;(B)五边形空心球体结构;(C)空心半球结构;(D)空心管结构;(E)空心壳结构;(F)有一个面呈开放的空心立方体结构。(G–I) 具有二维骨架的异质水凝胶结构:(G) 钻石图案结构;(H) 带有十字线图案的正方形结构;(I)六边形图案结构。(J–L)当复合立方体受气压吹胀时,它会略微膨胀(J),突然膨胀(K),并在一个随机位置发生破裂(L)。裂纹被硬质纤维限制(用白色虚线标记)。

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图3 水凝胶的力学性能。

(A)将软质水凝胶和硬质水凝胶浸入到不同浓度的Fe3+溶液中得到的应力-应变曲线;(B) 软质水凝胶和硬质水凝胶的模量;(C) 激光共聚焦图像显示软质水凝胶的前驱体溶液可扩散到硬质水凝胶中;(D) 异质水凝胶骨架结构的断裂;(E) 基质水凝胶、骨架水凝胶以及复合水凝胶的裂纹试样的应力-应变曲线;(F) 基质水凝胶、骨架水凝胶与复合水凝胶的断裂韧性比较;(G) 复合水凝胶的高抗疲劳性能;(H)循环拉伸下,无预制裂纹的试样表现出持续的应力下降;(I) 复合水凝胶在不同能量释放率下的抗疲劳性能。

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图4 利用医学影像技术制作的水凝胶瓣膜。

(A)计算机断层扫描图像(CT)和计算机三维重建下的心脏瓣膜模型;(B)打印的均质水凝胶的数字模型和实物图片;(C)为制备异质水凝胶结构所构建的三维中空模型,而打印的中空水凝胶经进一步强化以形成坚硬的水凝胶骨架结构;(D)异质水凝胶骨架结构的数字模型和实物图片;(E)体外抗疲劳试验装置示意图;(F) 均质和异质水凝胶骨架结构的内镜图像:在约560次循环后,均质水凝胶骨架结构受损,而异质水凝胶骨架结构在10000次循环后仍保持较好完整性;(G)水凝胶所受压力随循环的波动变化。

结论

综上,研究人员基于医学影像,利用数字光固化打印技术制作了具有心脏瓣膜形状的抗疲劳复合水凝胶,保证高拉伸性的同时具有良好的抗疲劳性质,在体外模拟实验中表现出类似瓣膜维持液体持续单向流动的功能。该研究解决了水凝胶材料长期存在的困难,为其生物医学应用提供了广阔的前景。尽管立体光刻和浇注技术的结合有利于形成如心脏瓣膜等具有开放形态的解剖结构,但并不适用于具有封闭形态的解剖结构。目前,此方法可用于制造其他类型的水凝胶骨架结构,如双网络水凝胶[40]等。水凝胶可在纳米尺度上实现结构组装,并通过立体光刻技术实现高抗疲劳性。此外,几十年来在开发替代心脏瓣膜的生物打印技术方面一直存在争议,因为真正的心脏瓣膜对机械和生物方面的要求极高。在本文中,作者证明了可用异质水凝胶实现复杂结构和高抗疲劳性能的目的。该研究克服了一个长期存在的障碍,研究人员期望未来能制作出同时满足高周疲劳测试要求及生物相容性要求的心脏瓣膜仿体。

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专家简介

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杨剑

空军军医大学西京医院

心血管外科一病区主任,博士研究生导师。曾于德国洪堡大学Charité医学院、德国柏林心脏中心、美国Cleveland Clinic医学中心等国际知名医学中心访问研修。担任美国心脏协会专家会员(FAHA)、 美国心脏病学会专家会员(FACC)、中国医师协会心血管外科医师分会结构性心脏病专业委员会副主任委员、中华医学会胸心血管外科分会第九届委员会青年委员、陕西省医疗器械不良事件监测专家咨询评价委员会专家。获聘陕西省中青年科技创新领军人才、陕西省科技创新团队带头人,为陕西省自然科学基础研究计划杰出青年科学基金项目获得者、西安交通大学兼职教授。担任Eur Heart J, BMJ,AJC等杂志特邀审稿人,《中华胸心血管外科杂志》、《心脏杂志》、《中国体外循环杂志》、《心血管外科杂志》、《精准医学杂志》编委。临床专长于复杂结构性心脏病的微创及介入治疗,在国内较先开展了经导管肺动脉瓣置换、主动脉瓣置换、二尖瓣修复、二尖瓣置换以及瓣周漏封堵等创新性技术。主要科研方向为结构性心脏病诊疗新技术以及心肌细胞损伤修复、重构和再生的临床转化研究。在微创心血管器械研发、临床转化及以3D打印为主的多模态影像学评估方面有一定建树。先后在Eur Heart J,JACC等国际期刊上以第一或通讯作者发表SCI论文30余篇,被Circulation,JACC等国际权威杂志引用500次,承担十三五国家重点研发计划、国家自然科学基金等10余项基金,经费1000余万元。荣获国家科技进步二等奖、中华医学科技一等奖、中华医学会胸心血管外科分会Lillehei奖学金“菁英奖”、中国医师协会胸心血管外科分会优秀青年医师“杏林奖”等奖励。授权国家专利20余项,出版专著、译著12部。

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刘洋

空军军医大学西京医院

博士,副主任医师,副教授,硕士研究生导师。美国马里兰大学医学院博士后。

国家心血管病专家委员会微创心血管外科专业委员会委员。专注心血管疾病微创治疗。先后开展经皮微创介入瓣膜病修复及置换术,瓣膜置换术后瓣周漏介入封堵术,主动脉缩窄球囊扩张支架置入术,冠状动脉漏介入封堵术等多项心血管疾病微创治疗新技术。在国内外发表研究论著50余篇,其中SCI论著21篇;主持军队重大专项子课题1项,国家自然科学基金1项,军队及省部级课题各7项;参加 “十二五”、“十三五”国家重大科技专项等课题13项。获国家专利20项;主编专著1部,副主编2部,参编专著8部。先后获得美国ASAIO青年医师奖,Euro-ELSO青年研究者奖,中国医师协会心血管外科分会杏林奖,中华医学会胸心血管外科分会Lillehei 奖学金及厄尔巴肯奖学金。

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