通過同軸犧牲打印將仿生血管網(wǎng)絡嵌入功能組織

來源： EFL生物3D打印與生物制造

打印充滿仿生血管網(wǎng)絡的人體組織和器官越來越引起人們的興趣。雖然可以在非細胞和密集細胞基質中嵌入可灌注通道，但目前還不具有在天然血管中發(fā)現(xiàn)的仿生結構。近日，美國哈佛大學Jennifer A. Lewis、Sebastien G.M. Uzel開發(fā)了一種嵌入式生物打印方法—同軸犧牲寫入功能組織（co-SWIFT），能夠在顆粒狀水凝膠和密集的細胞基質中產(chǎn)生分層分支的多層血管網(wǎng)絡。在同軸打印頭部設計了擴展的核殼配置，以促進在嵌入式生物打印期間打印分支血管之間強大的核-核和殼相互連接。使用優(yōu)化的核殼油墨組合，仿生血管由一個充滿平滑肌細胞的外殼組成，圍繞著可灌注的管腔，被同軸打印成顆�；�質，由：1）透明的海藻酸鹽微粒，2）犧牲的含微粒的膠原蛋白，或3)來自人誘導多能干細胞的心臟球狀體組成。具有良好屏障功能的仿生血管通過在這些相互連接的管腔內植入一層融合的內皮細胞而產(chǎn)生。研究發(fā)現(xiàn)，co-SWIFT心臟組織在灌注下成熟，同步跳動，并在體外表現(xiàn)出對心臟有效的藥物反應。本研究為用于藥物測試、疾病建模和治療使用的可擴展的生物制造開辟了新途徑。

相關研究內容以“Embedding Biomimetic Vascular Networks via Coaxial Sacrificial Writing into Functional Tissue”為題于2024年8月2日發(fā)表在《Advanced Materials》。   

圖1 功能組織中的同軸犧牲書寫（co-SWIFT）

本研究首先設計了一種新型的同軸打印頭，由一個擴展的核殼噴嘴和兩個獨立可控的核和殼油墨流體路徑組成（圖1a）。將核心噴嘴延伸到外殼噴嘴之外，這對于確保同軸噴嘴刺穿殼層在分支和重新連接過程中形成母血管之間的核-核和殼-殼連接至關重要（圖1b-e）�？梢允褂脭U展的核心來刺穿絲狀特征的殼壁以創(chuàng)建一個分支點（圖1d）。在擠壓核和殼油墨時，再次使用擴展的核噴嘴刺穿打印細絲的殼體（圖1e i）。也可以通過以類似的方式連接打印的同軸燈絲的活動端來形成連接（圖1e ii）。依次進行同軸互連以建立越來越復雜的分支血管網(wǎng)絡。   

圖2 co-SWIFT的核、殼和矩陣優(yōu)化

本研究制定了犧牲品明膠核油墨，使其剪切變薄行為和τy≈50 Pa與顆粒狀海藻酸鹽基質相匹配（圖2a）。每個核-殼油墨組合都可以在這個矩陣的垂直方向上成功打印（圖2b）。為了模擬天然的血管系統(tǒng)，本研究打印了不同直徑的同軸血管，它們具有符合Murray定律的三代分支特征（圖2c）。圖2d顯示了打印血管的橫斷面圖像，在每一代中都保持同軸核-殼結構。為了制備總直徑大于3 mm到小于1 mm的血管，改變打印速度的同時以恒定的體積流量擠壓核和殼油墨（圖2e）。   

圖3 打印仿生血管的內皮化

嵌入的血管由具有三維模式且符合Murray定律的一個分層的分支網(wǎng)絡組成（圖3a-c）。打印后，將組織結構加熱到37°C，以促進殼狀膠墨和μPOROS基質中的膠原凝膠化并交聯(lián)，同時熔化犧牲的明膠核心（紅色）（圖3b）。將帶血管化的基質灌注PBS（藍色），以顯示其相互連接的管腔網(wǎng)絡（圖3c）。為進一步提高生理相關性，本研究打印了一個仿生血管網(wǎng)絡，含SMC的殼墨水組成，圍繞著μPOROS基質中犧牲的明膠核心墨水（圖3d）。灌注第7天，平滑肌細胞保持存活、擴散并環(huán)繞血管壁，類似于原生內側層的形態(tài)（圖3e、f）。內皮細胞排列在一個融合的單層中，并伴有粘附的連接（圖3g-i）。然后進行Miles實驗來評估其屏障功能，結果顯示：與裸（對照組）血管相比，具有融合內皮的血管中的染料擴散減少3倍（圖3j）。  


圖4 通過co-SWIFT制造血管化的心臟組織

本研究使用離心法將心臟器官構建塊（OBBs）擠進到一個密集的細胞粘彈性基質中（圖4a）。首先制作了圓柱形心臟組織，其中有一個嵌入的核殼血管，懸掛在彈簧臂之間（圖4a-h）。與SWIFT相比，co-SWIFT心臟組織的血管腔圓度值高出近兩倍（圖4b、c）。灌注一天后，對co-SWIFT速心臟組織進行活-死實驗，結果顯示它們在整個橫截面上具有較高的細胞活力（圖4d）。灌注第7天，包埋的血管由一層被平滑肌細胞包圍的融合的內皮細胞組成（圖4e）。灌注第5天，co-SWIFT心臟組織開始同步收縮（圖4f）。重要的是，這些組織也表現(xiàn)出對心臟有效的藥物反應。在灌注濃度為10×10−6M的含異丙（去甲）腎上腺素的含氧培養(yǎng)基培養(yǎng)后，觀察到它們的自發(fā)跳動頻率翻倍。相比之下，含有10×10−6M blebbistatin介質的灌注可抑制這些心臟組織的跳動（圖4g、h）。為進行可視化，本研究將初始分支和完整的動脈結構打印到透明海藻酸鹽基質和密集細胞的心臟OBB基質中（圖4j-k）。   


全文小結
總之，本研究建立了第一個基于同軸的生物打印方法，能夠將分支、多層血管網(wǎng)絡嵌入到脫細胞和密集的細胞組織基質中。為證明廣泛的適用性，本研究定制了核、殼和基質材料的流變學特性，用于在顆粒狀藻酸鹽、微孔結構膠原和心臟球狀基質中打印。通過設計、制造和實現(xiàn)定制的擴展核殼噴嘴，證明了可以產(chǎn)生由圍繞犧牲核心油墨的負載平滑肌細胞殼式油墨組成的分層分支血管。這種網(wǎng)絡具有相互連接的腔，這些腔被平滑肌細胞包裹，并植入內皮細胞，形成融合的內皮，提供良好的屏障功能。最后，本研究創(chuàng)建了嵌入仿生血管的心臟組織，其設計以患者特異性數(shù)據(jù)為指導。本研究工作為在軟、活組織結構中嵌入仿生血管網(wǎng)絡提供可能。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/adma.202401528