Advanced Materials：3D打印的Biomesh可很大程度减少疝气修复并发症

在一项发表于《Advanced Materials》杂志的研究中，贝勒医学院的研究人员发现当前用于疝气修复软组织网片极易引发炎症和内脏粘连，因此他们开发了一种用于软组织修复与炎症调节的新型生物材料网片。该生物网片是通过原位磷酸盐交联的聚乙烯醇聚合物的3D生物打印制成的。在大鼠腹疝模型中生物网片充当炎症陷阱并捕获植入部位分泌的促炎细胞因子，有效调节局部炎症，而无需外源性抗炎剂。该生物网片在抑制内脏粘连形成和最小化术后并发症方面非常有效。

疝气是最常见的软组织损伤之一。腹内内容物（如肠环）通过腹壁薄弱、缺损或受伤部位挤压时形成疝气。这种情况可能会发展成严重的并发症，因此需要行疝气修补术。修复包括通过外科手术植入人工网片来支撑和加固受损的腹壁，促进愈合过程。然而，目前使用的网片植入物与潜在的不良术后并发症有关。贝勒医学院外科助理教授，这项研究的主要作者Crystal Shin博士说：“虽然疝气网植入物的机械强度很强，能够支撑腹部组织，使患者一开始感觉很舒服，但手术后大约三天，植入物会引发炎症，在两到三周内会影响附近的器官，这是一个常见的问题。”，Shin正在寻找解决术后疝气并发症的方法。

网状植入物大多失败，因为它们促进肠、肝或其他内脏器官与网状物的粘附。随着粘连的增长，网片收缩变硬，可能导致慢性疼痛、肠梗阻、出血和生活质量低下。有些病人可能需要第二次手术来修复第一次手术不成功的部分。“炎症也是一个严重的问题，”贝勒外科副教授Ghanashyam Acharya博士说，“目前，炎症是通过药物或抗炎药来控制的，但这些药物也会干扰愈合过程，因为它们会阻止免疫细胞向损伤部位的迁移。”。

Shin说：“为了解决这些并发症，我们开发了一种新型的网片，这种网片除了对损伤部位提供机械支持外，还起到炎症调节系统的作用。”，“这种生物网片柔软，具有韧性，并且在其手术植入过程中易于处理，还可以防止组织粘附，减少炎症，从而将疼痛和手术失败的可能性降到最低。”。一种叫做细胞因子的炎症介质出现在术后几天植入网片的地方。由于赖氨酸和精氨酸的存在，植入物中的一些主要细胞因子IL1-β、IL6和TNF-α具有正表面电荷。

图1. 3D打印的生物网片特性

Acharya说：“我们假设表面带负电荷的生物网状物会捕获带正电荷的细胞因子，因为相反的电荷会相互吸引。”我们预计，将细胞因子滞留在补片中可以减少其炎症反应，改善疝气的修复和愈合过程。”

为了验证他们的新想法，研究人员使用三维生物打印机制造了一种叫做磷酸盐交联聚乙烯醇聚合物（X-PVA）的生物网片。通过详尽的实验，他们优化了网片的机械性能，这样网片可以在几个月内反复承受最大的腹部压力，而不会使其机械强度恶化。他们还表明，该生物网片不会随着时间的推移而降解或弹性降低，对人体细胞没有毒性。

Shin、Acharya和他们的同事在实验室证实，这种生物网片可以捕获带正电的细胞因子。受这些结果的鼓舞，研究人员在大鼠疝气修补模型中测试了他们的生物网，并将其与临床上广泛用于外科疝气修补的一种网片进行了比较。

图2. 生物网片捕获炎症因子

在动物模型中，新设计的生物网片有效地减少了疝气修补术后的并发症。研究人员在植入生物网片四周后对其进行了检查。他们发现新设计的生物网捕获的细胞因子数量是常用网捕获的细胞因子数量的三倍。细胞因子在体内的寿命很短。当它们降解时，它们使网状细胞能够捕获更多的细胞因子。

重要的是，没有内脏组织粘附在新设计的生物网片上，而在常用的生物网片中，组织粘附的程度很高。这些结果证实了新的生物网片在减轻炎症反应和预防内脏粘连方面是有效的。此外，在动物模型中，新的网片并不妨碍疝修补术后腹壁的愈合。

图3. 生物网片在鼠的皮肤伤口模型中从伤口组织中捕获促炎细胞因子

“这种生物网片是独特的，旨在改善疝气修补术的预后，减少急性和长期并发症。Shin说：“在美国，每年有超过40万例疝气修补手术，新的生物网片将满足今后的修补需求。”目前还没有这种多功能的复合外科网片，开发一种广泛应用的生物网片将是疝气和其他软组织缺损外科修复的一个重大进展。我们正在进行进一步的临床前研究，我们的方法可以转化为临床。制造生物网片具有高度的可重复性、可伸缩性和可修改性。”

“这种通过材料的物理化学性质来控制炎症的概念是全新的。网片最初是为机械强度而设计的。我们问自己，我们能不能利用材料的物理和化学性质创造一种新的网片？”Acharya说，“20世纪50年代，贝勒外科的Francis C. Usher 医生发明了第一种用于疝气修补的聚丙烯网片。我们已经开发出了新一代的网片，由于其固有的非炎性性质和最佳的机械特性，可以最大程度地减少疝气复发和翻修手术率并改善临床结果。通过优化生物网片表面的负电荷密度，可以调节炎症反应。这种生物网片需要保持其机械性能至少两年以上，然后破损的腹壁（疝位点）才能恢复强度并完全愈合。3D打印策略还可以开发具有特定区域的定制生物网片，作为加固的缝合点，以牢靠地固定缝合线而不会撕裂。”。(生物谷 bioon）

原始出处：

1. Shin CS, Cabrera FJ, Lee R, et al. 3D-Bioprinted Inflammation Modulating Polymer Scaffolds for Soft Tissue Repair. Adv Mater. 2020 Dec 16:e2003778. 

2. Bilsel Y, Abci I. The search for ideal hernia repair; mesh materials and types. Int J Surg. 2012;10(6):317-21.