東華大學在3D打印領域再獲突破：3D打印構建仿生血管網(wǎng)絡，促進組織再生

來源：東華大學材料科學與工程學院

近日，東華大學纖維材料改性重點國家實驗室 游正偉教授團隊 在 3D 打印和再生醫(yī)學領域取得重要進展， 相關成果以《面向組織再生的 3D 打印仿生血管網(wǎng)絡》 ( 3D printing of biomimetic vasculature for tissue regeneration) 為題，發(fā)表于材料學領域著名期刊 《 Materials Horizons 》。

組織細胞都高度依賴分支化血管系統(tǒng)，為細胞提供良好的物質(zhì)交換以維持細胞生長的良好環(huán)境。而大多數(shù)組織工程構建的組織都不具有理想的微血管網(wǎng)絡，當中高密度細胞無法得到充分的物質(zhì)交換且快速形成壞死中心。 因此，如何構造出包含仿生天然血管網(wǎng)絡的工程組織，并且能在體內(nèi)外維持長時間的生存是組織再生領域中一大公認的難點與挑戰(zhàn)。 現(xiàn)有的仿生血管網(wǎng)的構建主要集中在如何構建二維微通道結構，在三維大塊結構以及更加微觀模擬血管壁滲透性方面研究較少，同時報道的方法一般只適用于特定的材料。

針對上述關鍵問題，游正偉教授團隊發(fā)展了 基于 3D 打印技術的新策略，實現(xiàn)了血管網(wǎng)絡的仿生構筑 。提出了從宏觀個性化脈絡結構、可灌注通道網(wǎng)絡、滲透性管壁三個層次對血管網(wǎng)絡進行多級結構仿生的概念。據(jù)該工作第一作者東華大學博士生雷東介紹說，該工作是從中國傳統(tǒng)手工藝 “ 糖畫 ” 中獲得靈感，將市售蔗糖作為單一原料，巧妙地利用 3D 打印機對其加熱進行預焦糖化，現(xiàn)場制備具有良好打印性的墨水，然后 3D “作畫”，實現(xiàn)了糖模板的一鍋法 3D 打印定制。然后通過相分離機制和犧牲模板策略相結合，高效構筑了整體相互連通可灌注的聚合物基血管網(wǎng)絡，管壁上具有梯度分布的微孔結構，從而賦予其仿血管壁的滲透性。該方法具有良好的普適性，適用于熱塑和熱固性等多種材料，同時能夠很好地和各種組織工程支架比如海綿狀多孔支架、水凝膠、靜電紡納米纖維支架、細菌纖維素等結合制備含有內(nèi)嵌仿生血管網(wǎng)絡的復合支架。

可灌注性仿生血管網(wǎng)絡
進而游正偉教授團隊和上海交通大學附屬瑞金醫(yī)院的趙強教授和葉曉峰副教授再次合作，證實該仿生血管網(wǎng)絡復合支架在體外可維持高濃度細胞存活，體內(nèi)可以促進血管和組織新生；進一步用于治療大鼠心肌梗塞，顯著改善了心肌局部缺血，有效防止了心肌纖維化。該支架具有良好的生物相容性和可降解性，能夠根據(jù)個體需求 3D 打印定制，未來還可以與藥物和干細胞復合，實現(xiàn)藥物緩釋和干細胞遞送，為組織缺損再生修復等提供精準醫(yī)療新 方案。同時可以構建體外 3D 組織模型，用于藥物篩選。另外在微流控等領域也有潛在的應用前景。

游正偉教授團隊近年來專注生物彈性體材料及其 3D 打印的研究，去年的報道以“鹽”為核心的“咸墨水”打印，成功實現(xiàn)了熱固性材料 3D 打印 [1] ，并以生物彈性體為代表，實現(xiàn)了組織工程支架 [2] 和可穿戴摩擦納米發(fā)電機 [3] 的個性化定制。此次， 該團隊以“糖”為核心，用“甜墨水”實現(xiàn)了仿生血管網(wǎng)絡的構建。果然是 “ 不會做飯的材料學科研者不是好醫(yī)生��！ ”

東華大學博士生雷東是該論文的第一作者，東華大學游正偉教授、上海交通大學醫(yī)學院附屬瑞金醫(yī)院趙強教授、葉曉峰副教授是該論文的共同通訊作者。東華大學的莫秀梅教授、何創(chuàng)龍教授、陳仕艷教授、天津大學劉文廣教授、上海大學朱波教授是論文的共同作者。該工作獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、上海市自然科學基金的資助。