呼吸系统（respiratory system）由呼吸道和肺两大部分组成。呼吸道包括鼻腔、咽、喉、气管和支气管，支气管像树枝一样，由大支气管分为小支气管，最小的支气管末梢就是空气囊，在这里空气中的氧被人体吸收，同时把二氧化碳排出体外。可见气管和支气管的主要作用为传送气体，是维系生命活动所必须的重要器官之一。倘若呼吸道狭窄阻塞或缺损后，必定会影响呼吸功能，甚至危及生命。
呼吸道和支气管的组织结构图（图片来自网络）
炎性肉芽肿、瘢痕、结核、创伤、气管软化症、肿瘤、先天缺陷等病变可导致气管及支气管狭窄或阻塞，气管支架置入是重要的治疗手段之一。近二十年来，随着材料科学的发展，气道支架得以在临床上广泛应用。气管支架主要分为两大类，一类是金属支架，另一类是硅酮支架。前者长期放置对气管黏膜刺激性较大，会导致黏膜炎性损伤、增生，继而气道再狭窄，故不宜长期放置；后者对气道黏膜刺激性相对较小，不易引起肉芽增生，具有性能稳定、安全性好、并发症少、可在气道内长期放置的优点。起源于20世纪末用3D打印技术制作的气管支架在临床的应用是该领域的一大进展，即通过3D打印的模具制作气管支架，可以很好地还原患者的原始支气管形状，吻合度好，从而达到最佳效果。2011年患儿Kaiba才6周岁时被发现左支气管先天性缺陷，病情反复发作，危及生命，次年便在肺部植入了一个3D打印的气管，使呼吸道保持了畅通，效果良好。人工3D打印气管装置可根据具体病人定制，由生物可吸收材料制成，3～4年之后便会在体内自行溶解。
当气管因肿瘤、外伤及先天性疾病需节段性切除并行一期端侧吻合时，若成人气管环形切除长度超过总长度的一半，即超过6厘米就无法直接端—端吻合，这时用替代物重建气管是唯一有效的方法。众所周知，气管的结构较复杂，管壁由软骨环、弹性纤维、结缔组织、平滑肌及富含腺体的黏膜组成，其黏膜上皮为假复层纤毛柱状上皮，夹有杯状细胞，纤毛在气管黏膜表面有规律、有节奏地摆动，具有清除异物、保护呼吸道清洁的重要防御功能。鉴于气管的这些解剖和生理特点，美国著名胸外科专家Neville提出理想的气管替代物必须具备以下条件：组织结构需有一定的强度和柔韧性，不会软化塌陷；管腔密闭不漏气；组织相容性好，且有良好的血液供应，植入后能与周围组织紧密结合；炎症反应小，无毒性，无致癌性；管腔内壁光滑，不利于细菌定植和成纤维细胞生长，管腔内部有利于气管黏膜上皮的生长爬行，并具有摆动功能，以清除呼吸道分泌物和防止肉芽增生。目前，临床和实验研究中常用的气管重建方法有：同种异体气管移植、自体组织移植和组织工程化气管。这些方法均各有利弊，同种异体气管在形态、结构和功能上都与正常气管相似，但无法免除排异反应；自身组织替代物相容性较好，排斥反应小，但必然要损伤自身部分正常组织，取材困难，且替代的组织与气管本身解剖结构相差甚远。近年来随着生物医学组织工程和再造血管技术的发展，应用组织工程技术构建气管替代物来修复气管缺损，受到人们的广泛关注。
组织工程化气管是利用机体的活体组织或者种子干细胞，在体外支架材料上进行扩增繁殖后植入病损气管，以修补原气管缺损；或者在原位进行诱导缺损端的增殖分化，从而修补缺损并能达到一定功能的技术方法。可见，组织工程化气管最核心的两个要素是种子细胞和支架材料，其中种子细胞的来源一直是困扰组织工程学发展的一大难题。然而，近些年来胚胎干细胞（embryonic stem cell，ESC）和骨髓间充质干细胞(bone mesenchymal stem cells, BMSC) 方面的研究进展给人们带来了可期待的希望。ESC具有无限增殖和全能分化的特性，若大规模扩增并将其定向诱导成气管组织细胞，无疑是一良好的细胞来源；BMSC亦具有多向分化潜能，能分化形成骨、软骨、脂肪、神经等细胞。组织工程化气管目前仍处于起步阶段，还面临着许多难题，比如组织工程化气管的机械力学强度问题、气管移植物的血管再生和营养支持问题、纤毛上皮覆盖并保持真正呼吸道上皮功能等问题尚未完全解决。
