《Bioactive Materials》利用3D打印构建血管模型

来源： EFL生物3D打印与生物制造

血栓形成是心血管疾病（CVDs）的主要驱动因素，导致了全球范围内的高发病率和死亡率。然而，当前用于研究血栓形成的动物模型和体外系统存在局限性，无法充分模拟人类复杂的血管结构和血液动力学条件。这些限制阻碍了对血栓形成机制的深入理解，以及新治疗方法的开发。生物打印技术作为一种新兴的方法，展现出构建结构和功能上模拟天然血管的生物模拟血管模型的潜力。通过精确控制细胞、生长因子和生物材料的三维空间排列，生物打印能够制造出具有复杂结构的定制化组织构造，为血栓研究提供了新的平台和可能性。

鉴于此，悉尼大学Lining Arnold Ju等人综述了生物打印技术在血栓研究中的应用，强调了血栓形成作为心血管疾病主要原因的重要性，并指出了传统研究方法的局限性。文章探讨了生物打印如何模拟血管的结构和功能，以及如何通过精确的空间排列细胞和生物材料来构建复杂的血管模型。讨论了生物打印技术的最新进展，包括多材料打印和微流体集成，这些技术有助于开发更符合生理条件的血栓模型。同时，文章也提出了生物打印领域面临的挑战，如开发更先进的生物材料和标准化打印流程。

图1 血管壁结构和机械力

它展示了动脉、静脉和毛细血管的血管壁结构，这些血管壁由三层组成：内膜、中膜和外膜。内膜由内皮细胞（ECs）构成，中膜包含平滑肌细胞（SMCs）和弹性纤维，而外膜主要由胶原纤维构成。此外，还描述了血管所承受的主要机械力量，包括剪切应力、周向应力和轴向应力。剪切应力是血液流动对血管壁的摩擦力，受流量、剪切率、流体粘度和血管腔半径的影响。周向应力是作用在血管壁切线方向上的力，而轴向应力是沿血管纵向轴施加的力。这些力量对血管内皮细胞的功能和血管稳态起着重要的调节作用，剪切应力的变化可能导致内皮细胞功能障碍，进而影响血栓形成的过程。   

图2 剪切诱导的血小板激活/聚集

剪切力诱导的血小板激活/聚集（SIPA）是血小板对血流剪切力的生物学响应，通常发生在血液流经狭窄处或高剪切率条件下。这一过程涉及血管性血友病因子（vWF）的释放、血小板形态和受体结合的变化、血小板聚集以及细胞内信号通路的激活。在高剪切力下，血小板GPIb与vWF之间的相互作用启动了血小板的粘附和激活。激活的血小板释放多种激动剂，如腺苷二磷酸（ADP）和血栓素A2（TxA2），这些激动剂进一步放大血小板聚集和血栓形成。   

图3 生物打印血管导管的制备

首先，通过使用MRI、CT和其他医学成像技术，可以获得血管网络和细胞的结构、尺寸和空间排列的详细信息，这对于设计患者特异性的血管通道至关重要。其次，选择适合生物打印的生物墨水，这些生物墨水通常由具有适当流变学和机械特性的水凝胶组成，以确保成功的生物打印。细胞的选择同样重要，例如，可以选择内皮细胞（ECs）、平滑肌细胞（SMCs）和成纤维细胞来准确复制天然血管的结构和功能。此外，生物墨水中的生物活性成分也是确保打印性、结构完整性以及支持细胞生长和功能的必要因素之一。   

图4 喷墨式生物打印用于制造血管结构

通过使用细胞-明胶混合物和逐层喷墨打印方法，研究者们成功构建了具有特定尺寸和功能的血管通道。这些通道不仅在微观尺度上模拟了真实血管的形态，而且在内表面形成了人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的单层，展现了对血浆蛋白和右旋糖酐分子的屏障功能。此外，通过电液滴喷射（EHD）喷墨生物打印技术，实现了微血管结构的高分辨率制造，这些结构的尺寸可低至30微米。在这一过程中，使用了Pluronic F127作为牺牲模板，以及含有人真皮成纤维细胞（HDFs）的GelMA作为永久基质，通过去除牺牲模板实现了内皮化，形成了具有功能性的内皮层。  

图5 基于挤出式的生物打印用于制造血管结构

使用挤出式生物打印技术制造血管结构，其中包括利用自由形态可逆嵌入水凝胶（FRESH）技术在心脏模型中构建多尺度血管网络，以及通过调整打印速度使用SWIFT方法制造不同直径的管状结构。研究者们还通过共轴挤出技术，将人脐静脉内皮细胞（HUVECs）和人动脉平滑肌细胞（HASMCs）分别包裹在不同的生物墨水中，然后通过共轴喷嘴挤出，形成了具有模拟体内细胞排列的双层空心纤维。此外，还有研究利用海藻酸盐作为外层材料，核心细胞悬浮液作为内层，通过平滑肌细胞的定向自组装形成具有双层结构的血管模型。   

图6 基于光刻技术的生物打印用于制造血管结构

光固化生物打印技术能够制造出具有高精度和高分辨率的组织结构，特别适合于对细胞友好的生物打印应用。图中展示了使用数字光处理（DLP）生物打印技术制造的血管模型，这些模型具有内部微通道，深度和分辨率分别达到1.7毫米和200-350微米。此外，为了克服传统成像设备浅成像深度的限制，研究中采用了光声显微镜（PAM）进行深度可视化，能够观察到3.6毫米深的血管结构。尽管这些3D打印结构通常较为脆弱，但通过在生物墨水中加入增强材料，如电纺纤维或3D打印支架，可以显著提高其机械强度和弹性。   

图7 在生物打印技术和血管化组织修复与再生方面取得的进展

相关进展包括使用合成聚合物基生物墨水制造纳米复合水凝胶和双重网络（DN）水凝胶，以提高血管导管的机械强度和韧性。图中描述了一种可拉伸的DN水凝胶生物墨水系统，该系统用于生物打印小直径的静脉导管，这些导管在结构和生物学功能上都模拟了天然血管的特点。这种水凝胶展现出了优越的强度和延展性，其拉伸强度、杨氏模量、拉伸应变以及爆裂压力均优于小鼠静脉，显示出与天然血管相似的关键特性。此外，图中还展示了通过体积生物打印与熔融电写技术结合制造的具有优异机械性能的血管导管。这些导管不仅在结构上模仿了天然血管的多层结构，还能够承受高压力和弯曲，为生物打印血管模型的临床应用提供了新的可能性。

全文总结   
本文综述了生物打印技术在血栓研究中的应用，强调其在模拟人类血管系统和血液动力学条件方面的优势。文章指出，心血管疾病是全球主要死因之一，血栓形成作为其主要原因，其机制复杂，现有研究方法存在局限。生物打印提供了一种新途径，能够构建具有生物相容性的血管模型，有助于深入研究血栓形成机制。

文章来源：
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2024.08.040