段状气道重建需要气管移植物模拟天然气管的层级结构与生化功能。然而，实现仿生保真度与高效血管化仍具挑战。
2026年5月8日，上海交通大学周广东，雷东，国家组织工程中心刘豫和上海中医药大学王小云共同通讯在Science Advances在线发表题为DLP-bioprinted ultrabiomimetic trachea with spatiotemporal angiogenesis regulation for segmental airway reconstruction的研究论文。该研究提出一种数字光处理组织工程气管，该气管具有解剖学仿生C形软骨环、交替分布的纤维环及背部纤维带，精准复现了天然气管的结构层级。
为促进快速新生血管形成，作者开发了一种应力松弛且可降解的海藻酸盐基水凝胶，该水凝胶能够实现动态血管内皮生长因子装载与持续释放，从而促进内皮细胞迁移与血管生成。在纤维区域中，预置的血管引导通道被整合以引导宿主血管向内生长，与无通道支架相比，新生血管密度提升了2.6倍。
该平台通过精准结构设计实现空间调控，并结合时间维度生物活性信号调节，实现同步化血管化。当采用端端吻合术与天然气管移植时，血管化移植物展现出增强的存活率与功能整合，为气管组织工程与段状气道重建提供了一种稳健策略。
节段性气管缺损的重建仍是胸外科领域的一项重大挑战，因此迫切需要开发兼具结构与功能仿生特性的气管移植物。现有气管替代物，如自体组织、同种异体气管及人工假体，均面临固有的局限性，包括结构-力学不匹配、长期整合效果差或生物相容性不足等问题。
本文提出了一种基于模块化生物打印的策略，用于构建多组织整合的仿生组织工程气管（TET），提供了一种具有可控降解性（与组织再生相匹配）及内在生物诱导能力的生物活性水凝胶TET支架。该方法为获得临床功能性气管替代物开辟了一条前景广阔的途径。
气管的复杂结构由软骨、纤维组织、血管及上皮构成，这为仿生复制带来了额外挑战。传统的支架制备方法，如冷冻干燥、溶剂浇铸及静电纺丝，往往缺乏重建此类复杂层级结构所需的空间精确度。
相比之下，三维（3D）生物打印为组织工程与再生医学提供了先进工具，能够实现对微结构的精确控制，并促进个性化患者特异性支架的设计。本课题组此前已在利用挤压式3D打印制备仿生TET、组装3D气管结构以及开发生物活性材料方面开展了开创性工作。这些努力在构建初步气管组织方面取得了显著进展，但高效的血管化及高仿生保真度等障碍依然存在。
图1.UB-TET的设计和构造（摘自Science Advances）
在前期基础研究之上，本研究聚焦于克服气管多组织结构中血管重建及精确仿生工程所面临的挑战。为构建超仿生气管，作者的设计遵循了多层级尺度上的结构与功能仿生学原理，从而模拟天然气管的解剖结构及功能力学特性。在结构上，天然气管由交替排列的软骨环与纤维段构成。
在功能上，软骨提供径向刚性以支撑气道，而纤维组织则确保柔韧性、顺应性及血管化。基于这些原理，作者选用C形软骨环作为径向支撑框架，并采用管状水凝胶基质以提供柔韧性与组织相容性。
作者开发了一种OAlgGM [甲基丙烯酸缩水甘油酯（GM）接枝的氧化海藻酸钠]生物墨水，并将其作为制备气管构建物中纤维环及背部纤维带的主要材料。为构建软骨环，作者使用了由甲基丙烯酸化沃顿胶（WJMA）与甲基丙烯酸化明胶（GelMA）组成的双网络水凝胶，该水凝胶包埋软骨细胞以支持软骨形成。
通过采用基于数字光处理（DLP）的模块化打印及集成组装策略，作者实现了TET的超仿生构建。具体而言，该构建物具有四个关键结构特征：（i）交替的纤维环与整合的背部纤维带，（ii）C形软骨环，（iii）软骨与纤维组分之间的化学键合界面，以及（iv）纤维段内预制的血管通道。
这种时空调控策略，通过内置血管通道的空间引导作用及支架材料对血管内皮生长因子（VEGF）的控释进行整合，被证实能够促进工程化气管纤维段内的血管再生。本研究旨在克服TET仿生精度不足及血管化效率低下等关键技术瓶颈，为节段性气管缺损的精确仿生修复与构建提供创新策略。
同时，本研究开展了体内气管缺损模型修复实验，以验证该创新策略在气管血管生成及节段性气管缺损重建方面的效果。此外，这种仿生模块化组装策略不仅为临床气管重建提供了突破性解决方案，也为复杂组织工程领域树立了典范。
参考消息：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz9453