人工血管的三維生物打印：工藝、生物墨水與挑戰(zhàn)

作者：Ya-Chen Hou1,2,3, Xiaolin Cui4, Zhen Qin1,2,3, Chang Su1,2,3, Ge Zhang1,2,3, Jun-Nan Tang1,2,3*, Jing-An Li5*, Jin-Ying Zhang1,2,3*

機(jī)構(gòu)：
1 鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院，心血管內(nèi)科
2 河南省心臟損傷修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
3 河南省心血管疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心
4 香港中文大學(xué)，醫(yī)學(xué)院
5 鄭州大學(xué)，材料科學(xué)與工程學(xué)院，先進(jìn)鎂合金重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，材料成型及模具技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

本文綜述了3D生物打印人工血管的最新進(jìn)展，重點(diǎn)關(guān)注生物墨水的特性、交聯(lián)方法及血管性能要求。

討論了天然聚合物（如脫細(xì)胞細(xì)胞外基質(zhì)、透明質(zhì)酸和膠原蛋白）以及合成聚合物（如Pluronic F127和海藻酸鹽）在生物墨水中的應(yīng)用。

提供了對(duì)3D生物打印技術(shù)（包括擠出、噴墨、光固化成型和FRESH）在血管構(gòu)建中的適用性和局限性的深入分析。

提出了未來(lái)研究方向，包括開(kāi)發(fā)新型復(fù)合水凝膠以提高機(jī)械性能和生物相容性，以及改進(jìn)3D生物打印技術(shù)以實(shí)現(xiàn)更高的打印精度和細(xì)胞活性。

研究背景
心血管疾病是全球主要致死疾病。冠狀動(dòng)脈旁路移植術(shù)通過(guò)血管移植物繞過(guò)阻塞部位恢復(fù)血液供應(yīng)，但自體血管有限，難以滿足需求。目前，聚四氟乙烯（PTFE）和聚酯纖維（PET）等人工血管因血液相容性差，易致血栓和再狹窄，且質(zhì)地僵硬，難以模擬天然血管的柔軟性和生物活性。為此，組織工程血管成為研究重點(diǎn)。三維（3D）生物打印技術(shù)可精準(zhǔn)制造符合天然血管功能的人工血管，而生物墨水性能直接決定打印效果。理想生物墨水需兼具生物相容性、機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，支持細(xì)胞增殖和分化。本文綜述了3D生物打印技術(shù)在人工血管制備中的應(yīng)用，重點(diǎn)探討生物墨水特性、交聯(lián)方法及水凝膠的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)。

研究進(jìn)展
1.水凝膠性能要求
物理性能：人工血管需模擬天然血管的機(jī)械性能，如爆破壓力、拉伸強(qiáng)度和順應(yīng)性。ISO 7198:2016標(biāo)準(zhǔn)為血管移植物的機(jī)械性能提供了指導(dǎo)。

水凝膠特性：生物墨水需具備剪切稀化、屈服應(yīng)力和適當(dāng)?shù)恼扯龋赃m應(yīng)打印過(guò)程并保持結(jié)構(gòu)完整性。細(xì)胞的存在會(huì)影響水凝膠的流變性能和成形能力。

成形要求：血管結(jié)構(gòu)需足夠堅(jiān)固以承受血液動(dòng)力壓力，同時(shí)保持細(xì)胞活性和功能。水凝膠的剛度對(duì)細(xì)胞行為有顯著影響。

2.生物墨水研究

支撐水凝膠：
1.合成水凝膠：如PEG，通過(guò)化學(xué)改性（如PEGDMA和PEGTA）提高性能，但存在生物惰性問(wèn)題。

2.天然水凝膠：HA、膠原蛋白和明膠等天然聚合物具有良好的生物相容性和生物活性，但機(jī)械性能較弱。通過(guò)交聯(lián)和復(fù)合改性可增強(qiáng)其性能。

3.脫細(xì)胞細(xì)胞外基質(zhì)（dECM）：具有仿生特性，但存在制備復(fù)雜和成本高的問(wèn)題。

4.DNA材料：DNA水凝膠具有高機(jī)械強(qiáng)度和生物相容性，但成本較高。

5.其他水凝膠：纖維蛋白、瓊脂糖和納米纖維素在特定應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)。

犧牲水凝膠：

1.Pluronic F-127：生物惰性，易于打印，適用于形成中空結(jié)構(gòu)。

2.海藻酸鹽：離子交聯(lián)快速，但缺乏孔隙性和生物活性，需化學(xué)改性以提高性能。


3.3D生物打印技術(shù)
擠出式打?。撼Ｓ梅椒?，但存在細(xì)胞損傷和分辨率低的問(wèn)題。

噴墨式打?。悍墙佑|式方法，適用于原位打印，但對(duì)生物墨水粘度有嚴(yán)格要求。

光固化成型：高分辨率，但對(duì)血管直徑有限制。

FRESH：利用熱可逆支撐浴，適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)打印。

圖 1. (A) 過(guò)去 20 年該領(lǐng)域的論文（改編自參考文獻(xiàn)[23]，經(jīng)授權(quán)許可）；(B) 過(guò)去 10 年該領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)情況，數(shù)據(jù)來(lái)自專(zhuān)利局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)。

圖 2. (A) 機(jī)械因素的轉(zhuǎn)導(dǎo)與干細(xì)胞命運(yùn)的調(diào)控[60]。(B) 熱凝膠點(diǎn)以下物理和化學(xué)凝膠化的差異以及細(xì)胞形態(tài)隨水凝膠硬度變化的情況（改編自參考文獻(xiàn)[61]，經(jīng)授權(quán)許可）。

圖 3.（A）顯示聚（乙二醇）- 二硫蘇糖醇（PEGDTT）和納米硅酸鹽在交聯(lián)前后的相互作用的示意圖。插圖顯示了 PEGDTT/nSi 生物墨水的可打印性。（B）通過(guò)料筒、針頭和打印床進(jìn)行打印過(guò)程的示意圖。（C）納米顆粒誘導(dǎo) PEGDTT 降解的假設(shè)機(jī)制（改編自參考文獻(xiàn)[74]，經(jīng)授權(quán)許可）。

圖 4. (A) [90] 文獻(xiàn)中報(bào)道的研究中使用的聚合物主鏈和光交聯(lián)側(cè)基。二硫蘇糖醇在逐步生長(zhǎng)機(jī)制中用作交聯(lián)劑。(B) 可定制 HAMA/海藻酸鹽基微管制備示意圖 （改編自參考文獻(xiàn)[93]，經(jīng)授權(quán)許可）。

圖 5. 主客體水凝膠的形成實(shí)現(xiàn)了剪切稀化注射和水凝膠保留（改編自參考文獻(xiàn)[99]，經(jīng)授權(quán)許可）。

圖 6. GelMA/gelatin生物墨水的兩步交聯(lián)（改編自參考文獻(xiàn)[122]，經(jīng)授權(quán)許可）。

圖7. 采用可見(jiàn)光交聯(lián)技術(shù)制備載有細(xì)胞的3D生物打印支架示意圖[134]。

圖8.（A）蛋白 - DNA 混合水凝膠的合成（改編自參考文獻(xiàn)[146]，經(jīng)授權(quán)許可）。（B）聚肽 - DNA 水凝膠的 3D 生物打印以制造任意設(shè)計(jì)的 3D 結(jié)構(gòu)。（C）使用兩種組分制備聚肽 - DNA 水凝膠（圖 8B 和 8C改編自參考文獻(xiàn)[147]，經(jīng)授權(quán)許可）。

圖9. (A) 三層（3D）動(dòng)靜脈結(jié)構(gòu)（內(nèi)膜中膜和外膜）制造過(guò)程示意圖[66]。(B) 多層分叉組織工程血管移植物的彎曲結(jié)構(gòu)制造過(guò)程的分步示意圖[165]。

圖10.（A）具有多尺度流體通道的 3D 海藻酸鹽容器結(jié)構(gòu)制造過(guò)程（改編自參考文獻(xiàn)[174]，經(jīng)授權(quán)許可）。（B）Mitch-Alginate 生物墨水在打印過(guò)程各階段的優(yōu)勢(shì)示意圖（改編自參考文獻(xiàn)[178]，經(jīng)授權(quán)許可）。

圖 11. (A) 懸浮水凝膠自由形態(tài)可逆嵌入 (FRESH) 工藝示意圖，顯示水凝膠（綠色）在明膠漿支撐槽（黃色）內(nèi)被擠出并交聯(lián)。(B) 將 3D 磁共振成像獲取的人體右冠狀動(dòng)脈樹(shù)剖面模型按全尺寸處理成用于 FRESH 打印的機(jī)器代碼[196]。

未來(lái)方向
3D生物打印在人工血管制造領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，但距臨床應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。首先，生物墨水的開(kāi)發(fā)需進(jìn)一步優(yōu)化，尤其是提高其機(jī)械性能和生物相容性。目前，盡管多種水凝膠已用于生物打印，但理想的生物墨水還需兼顧細(xì)胞活性和打印精度。其次，3D打印技術(shù)自身的改進(jìn)不容忽視，例如提升打印速度、分辨率及細(xì)胞存活率，同時(shí)開(kāi)發(fā)更快速的交聯(lián)方法以適應(yīng)臨床原位打印需求。再者，血管的體內(nèi)功能化至關(guān)重要，需增強(qiáng)其生物活性，如促進(jìn)內(nèi)皮化、防止血栓形成等，以確保長(zhǎng)期穩(wěn)定的功能。最后，在臨床轉(zhuǎn)化方面，需攻克監(jiān)管審批難關(guān)，簡(jiǎn)化流程并降低成本，推動(dòng)3D生物打印血管從實(shí)驗(yàn)室走向臨床，為心血管疾病患者帶來(lái)更精準(zhǔn)、有效的治療選擇，未來(lái)的研究將聚焦于這些關(guān)鍵問(wèn)題，以加速3D生物打印血管的臨床應(yīng)用進(jìn)程。

通訊作者

唐俊楠 教授
鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院
主任醫(yī)師、二級(jí)教授、博士生導(dǎo)師，鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院心血管內(nèi)科醫(yī)學(xué)部副主任、心內(nèi)九病區(qū)主任。全國(guó)衛(wèi)生健康系統(tǒng)先進(jìn)工作者、國(guó)家優(yōu)青、中國(guó)研究型醫(yī)院研究型人才、河南省高層次人才、河南省政府特殊津貼專(zhuān)家、河南省青年科技獎(jiǎng)獲得者、中原醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)軍人才、中原青年拔尖人才、河南省教育廳學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人、河南省衛(wèi)生健康系統(tǒng)十大杰出青年。主持并參與十余項(xiàng)國(guó)家級(jí)、省廳級(jí)科研項(xiàng)目。研究成果授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利及軟件著作權(quán)18項(xiàng)、編寫(xiě)論著3部、榮獲省部級(jí)成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、河南醫(yī)學(xué)科技獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。主持國(guó)家自然科學(xué)基金-優(yōu)秀青年項(xiàng)目、面上項(xiàng)目、河南省重點(diǎn)研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)、河南省優(yōu)青（A類(lèi)結(jié)題）等項(xiàng)目15項(xiàng)，在心臟損傷修復(fù)與人工智能領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展，以第一/共同第一、通訊/共同通訊等在Nature Communications、Nature Chemical Biology、Bioactive Materials、ACS Nano等期刊發(fā)表論文50余篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利及軟件著作權(quán)13項(xiàng)，高危ASCVD患者早篩專(zhuān)利實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化，撰寫(xiě)《關(guān)心入微》等學(xué)術(shù)和科普論著3部。

李敬安 教授
鄭州大學(xué)
鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，中國(guó)生物材料學(xué)會(huì)心血管材料分會(huì)常務(wù)委員 (第三屆，2023~2027)、中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)介入醫(yī)學(xué)工程分會(huì)委員/秘書(shū)長(zhǎng)/黨建聯(lián)系人 (第五屆，2023~2027)、中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)第十一屆理事會(huì)青年工作委員會(huì)委員、新質(zhì)力材料發(fā)展聯(lián)盟常務(wù)理事 (2024~2027)。先后受邀擔(dān)任 Discover Applied Sciences 副主編、Military Medical Research科學(xué)編輯、及多部學(xué)術(shù)期刊編委，先后受邀擔(dān)任 Advanced Materials 等百余部SCI期刊審稿人。以第一/通訊作者在 Bioactive Materials、Journal of Magnesium and Alloys 等領(lǐng)域內(nèi)權(quán)威期刊發(fā)表百余篇學(xué)術(shù)論文，其中多篇入選ESI高被引或熱點(diǎn)論文。

張金盈 教授
鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院
主任醫(yī)師、國(guó)家二級(jí)教授、國(guó)家級(jí)知名專(zhuān)家，中原學(xué)者，國(guó)家特殊津貼專(zhuān)家，中原千人，河南省高層次（C類(lèi)）人才、青年科技領(lǐng)軍人物、醫(yī)學(xué)博士、博士后，博士生/碩士生導(dǎo)師、博士后合作導(dǎo)師，現(xiàn)任鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院心血管內(nèi)科主任。國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和青年項(xiàng)目評(píng)審專(zhuān)家，國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃一審和二審專(zhuān)家，教育部博士學(xué)位畢業(yè)論文評(píng)審專(zhuān)家，河南省科技項(xiàng)目和科技進(jìn)步獎(jiǎng)評(píng)審專(zhuān)家，河南省衛(wèi)生系列高級(jí)技術(shù)職稱(chēng)評(píng)審委員會(huì)委員，鄭州大學(xué)高級(jí)職稱(chēng)評(píng)審委員會(huì)委員，《臨床心血管病雜志》編委，《鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)（醫(yī)學(xué)版）》編委，《河南醫(yī)學(xué)研究》編委，Chinese Medicine Journal及多家國(guó)際雜志特約審稿專(zhuān)家。發(fā)表論文百余篇(SCI收錄93篇)，通訊作者（含共通）在European Heart Journal、Nature Reviews Cardiology、Nature Communications、ACS Nano、Biomaterials和Arterioscler Thromb Vasc Biol等國(guó)際頂級(jí)雜志文章多篇。主編《急性心肌梗死現(xiàn)代治療策略》著作6部。主持國(guó)家心腦疑難病癥診治能力提升工程、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)-河南聯(lián)合基金項(xiàng)目、中國(guó)博士后科學(xué)基金、河南省科技創(chuàng)新計(jì)劃杰出青年/杰出人才、河南省高校科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)以及校院聯(lián)合培育基金博士團(tuán)隊(duì)專(zhuān)項(xiàng)資助等項(xiàng)目；獲得河南省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，二等獎(jiǎng)5項(xiàng)，三等獎(jiǎng)3項(xiàng)，自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、實(shí)用新型專(zhuān)利5項(xiàng)。

文章鏈接：
https://doi.org/10.18063/ijb.740