螺旋式生物3D打印制造小尺寸血管結(jié)構(gòu)

供稿人:趙廷澤 連芩
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

心血管疾病，如冠狀動(dòng)脈疾病、外周動(dòng)脈疾病等被認(rèn)為是全球第一大的死亡原因。臨床中，通常首選自體動(dòng)脈或者靜脈血管移植，以治療這類疾病。其中胸內(nèi)動(dòng)脈、橈動(dòng)脈和隱靜脈是最常用的自體移植物，這也是血管移植的金標(biāo)準(zhǔn)。然而使用隱靜脈移植后的血管能夠通暢的概率卻很低，其失敗率約為50%。同時(shí)，來自身體的其他部位的血管移植物很少有能夠滿足移植物所需尺寸與機(jī)械性能的需求，若使用這類移植物這也將導(dǎo)致移植手術(shù)的失敗。基于這些原因，研究人員們開始將目光轉(zhuǎn)向極具潛力的組織工程化血管移植物。

生物3D打印血管結(jié)構(gòu)，因其在可創(chuàng)建定制的自體血管移植物替代物方面具有巨大的潛力，近年來受到越來越多的關(guān)注。日前，紐約州立大學(xué)Sebastian Freeman等人使用纖維蛋白與明膠材料，通過螺旋式生物3D打印的新型方法，成功制造了人工血管結(jié)構(gòu)。值得注意的是，該人工血管結(jié)構(gòu)通過兩個(gè)月的體外培養(yǎng)，其機(jī)械強(qiáng)度隨之增加，且血管結(jié)構(gòu)的爆裂壓力達(dá)到1110 mmHG，約為人體大隱靜脈血壓值的52%。

該螺旋式生物3D打印方法使用可橫向移動(dòng)的擠出打印頭，將生物墨水沉積在一可軸向旋轉(zhuǎn)的接收軸之上的方法。生物墨水由纖維蛋白、明膠以及人真皮層纖維細(xì)胞構(gòu)成。打印的結(jié)構(gòu)尺寸約為20mm×4.9mm×10.9mm（長度×內(nèi)徑×外徑），并使用凝血酶對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行交聯(lián)（圖1）。

圖1 打印的血管結(jié)構(gòu)與其培養(yǎng)后hematoxylin & eosin (H&E), Verhoeff-Van Gieson (VVG), Gömöri trichome (TC)的染色結(jié)果。

在體外培養(yǎng)過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)所制造的血管結(jié)構(gòu)的長度在長時(shí)間體外培養(yǎng)后僅有較小縮短，血管厚度在最初的快速下降后也可以基本保持穩(wěn)定（圖2）。

圖2 體外培養(yǎng)過程中血管結(jié)構(gòu)的尺寸

研究人員將制作好的血管結(jié)構(gòu)沿周向剪成條狀樣品并進(jìn)行力學(xué)測試。記錄測試中的力和位移數(shù)據(jù)，與被測樣本尺寸結(jié)合，計(jì)算出被測樣品的力學(xué)參數(shù)。通過結(jié)合Barlow方程，可換算出了血管結(jié)構(gòu)爆裂壓力的估計(jì)值。該研究為人造血管結(jié)構(gòu)的制造提供了一種可行的方法，同時(shí)也為人工血管的性能分析提供了一種可能的手段。

參考文獻(xiàn)：
Freeman S , Ramos R , Alexis C P , et al. A bioink blend for rotary 3D bioprinting tissue engineered small-diameter vascular constructs[J]. Acta biomaterialia, 2019.