哈工大3D打印用于血管再生的組織工程支架

來(lái)源：EngineeringForLife

3D打印支架技術(shù)進(jìn)行血管再生的主題是一直是研究熱點(diǎn)且極具重要性。然而,現(xiàn)有報(bào)道中關(guān)于這方面研究的系統(tǒng)性總結(jié)還相對(duì)缺乏。近期來(lái)自哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉海濤副教授團(tuán)隊(duì)在Bio-Design and Manufacturing上發(fā)表了題為“3D printing of tissue engineering scaffolds: a focus on vascular regeneration”的長(zhǎng)篇綜述，從5個(gè)方面進(jìn)行了闡述：1）面向血管再生的組織工程支架的意義和重要性；2）血管支架的三維建模方法；3）血管支架中常用的3D打印材料；4）血管支架制造中常見(jiàn)的3D打印技術(shù)；5）血管支架的臨床轉(zhuǎn)化。此外，鑒于傳統(tǒng)制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，論文還討論了血管支架制備中常涉及的其它技術(shù)，包括鑄造、靜電紡絲及樂(lè)高積木式構(gòu)建。

3D打印支架另辟蹊徑
細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧氣供給不足是制備大尺寸組織中面臨的挑戰(zhàn)。血管為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸和組織器官的新陳代謝提供了渠道，且血管相關(guān)的疾病已成為主要死亡誘因之一。血管再生目的是修復(fù)受損組織和器官的結(jié)構(gòu)和功能。血管再生方法包括：組織工程血管移植物的植入，血管腔中金屬或塑料管的放置，手術(shù)旁路移植，血管成形術(shù)和不可生物降解導(dǎo)管的植入。血管構(gòu)建旨在采用內(nèi)皮細(xì)胞，平滑肌細(xì)胞，干細(xì)胞，生物活性分子，生物材料和相應(yīng)的細(xì)胞聚集體或球體制造具有生物學(xué)功能和結(jié)構(gòu)的血管。

血管構(gòu)建的方法包括制造血管支架，血管脫細(xì)胞化，自組裝血管移植物的制造以及隨后的處理工藝（如生物反應(yīng)器和培養(yǎng)添加劑的引入）。對(duì)血管移植物的需求很大，但常規(guī)自體植入和同種異體移植無(wú)法構(gòu)造具有給定形狀和功能的血管組織。許多傳統(tǒng)制造技術(shù)可能存在各類(lèi)缺陷。例如，微成型形成的支架有時(shí)缺乏細(xì)胞結(jié)合位點(diǎn)；自組裝技術(shù)難以對(duì)血管的幾何形狀進(jìn)行精確控制，脫細(xì)胞方法形成的支架難以細(xì)胞浸潤(rùn)。3D打印支架技術(shù)為該問(wèn)題提供了解決方案。

本綜述聚焦于現(xiàn)有的建模方法和制造血管支架的常用3D打印技術(shù)，系統(tǒng)討論了3D打印支架技術(shù)應(yīng)用于血管再生的可行性、血管化組織工程策略、支架技術(shù)相比無(wú)支架技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，介紹了血管支架建模方法，打印材料和制備方法。詳細(xì)討論了相關(guān)的3D打印技術(shù)。另外還給出了3D打印支架技術(shù)初步評(píng)估支架性質(zhì)的方法、臨床轉(zhuǎn)化過(guò)程及未來(lái)可能的研究方向（機(jī)器學(xué)習(xí)、近紅外光聚合、4D打印、3D打印與自組裝技術(shù)的結(jié)合）。

血管組織工程支架的意義和重要性
3D打印支架技術(shù)應(yīng)用于血管再生的可行性：血管為層級(jí)結(jié)構(gòu)（圖1），3D打印制備這種結(jié)構(gòu)可行；支架為血管細(xì)胞提供生長(zhǎng)微環(huán)境并指導(dǎo)細(xì)胞粘附，定位和定植，提供合理空間分布；調(diào)控因子可通過(guò)支架引入，調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)。確�？尚行苑椒ǎ和ㄟ^(guò)顯微技術(shù)評(píng)估支架的形狀和孔徑；液體置換法確定孔隙率；實(shí)驗(yàn)評(píng)估力學(xué)性能，包括彈性模量，斷裂強(qiáng)度和柔度等；計(jì)算降解后殘留質(zhì)量的百分比評(píng)估降解性；結(jié)合顯微技術(shù)和組織學(xué)染色評(píng)估生物相容性。
血管化組織工程策略（圖2）：首先，通過(guò)參數(shù)化建�；蚧�于micro-CT/MRI的3D重建技術(shù)建模。隨后，采用生物材料墨水或生物墨水，通過(guò)3D打印技術(shù)制備支架。隨后，對(duì)支架特性（如，連通性，三維結(jié)構(gòu)，力學(xué)和生化特性）進(jìn)行表征與驗(yàn)證；引入細(xì)胞生長(zhǎng)所需的生物活性物質(zhì)以進(jìn)行血管化。給出了細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程面臨的挑戰(zhàn)：細(xì)胞培養(yǎng)的最佳培養(yǎng)條件是什么？制備支架后如何調(diào)節(jié)血管細(xì)胞的生長(zhǎng)？如何使支架的降解速率與新血管組織的形成速率相匹配？如何使新血管與體內(nèi)血管融合形成相互連接的血管網(wǎng)絡(luò)，從而促進(jìn)新陳代謝和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸送？
支架技術(shù)相比無(wú)支架技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：通常無(wú)支架技術(shù)涉及細(xì)胞層片或細(xì)胞球體。球狀體形成方法：微流體技術(shù)，球狀體形成的基質(zhì)和懸滴技術(shù)。優(yōu)勢(shì)：支架技術(shù)為細(xì)胞繁殖提供更好的空間結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)微環(huán)境；支架方法打印的血管支架的特性特別是生物力學(xué)和生物化學(xué)性質(zhì)可定制；支架易于細(xì)胞攀爬和生長(zhǎng)。

圖1 血管組織結(jié)構(gòu)

圖2 血管化組織工程策略

血管支架建模方法
參數(shù)化設(shè)計(jì)：三維軟件直接建模；基于二次開(kāi)發(fā)技術(shù)的三維重建；結(jié)合人工智能技術(shù)的三維建模
逆向工程：micro-CT/MRI掃描。通常流程：三維掃描目標(biāo)對(duì)象、面向DICOM格式的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、三維軟件重建（如Mimics）
逆向工程與參數(shù)化設(shè)計(jì)相結(jié)合的方法
表征支架建模適用于體內(nèi)血管再生的可行性：有限元分析和流體數(shù)值模擬預(yù)測(cè)支架的彈性模量和膨脹與收縮；數(shù)值模擬預(yù)測(cè)氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量；采用測(cè)量軟件和其他方法使模型的孔隙率和孔徑與原始血管結(jié)構(gòu)相匹配；使設(shè)計(jì)的模型匹配相應(yīng)的生理結(jié)構(gòu)。

用于血管支架的3D打印材料
打印材料：細(xì)胞（間充質(zhì)干細(xì)胞的分化、內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、成纖維細(xì)胞）、生物材料（海藻酸鹽、膠原、絲素蛋白、透明質(zhì)酸、基質(zhì)膠、明膠、聚己內(nèi)酯、聚乳酸、聚乙二醇二丙烯酸酯、羥基磷灰石、GelMA、去細(xì)胞基質(zhì)）
制作方法：化學(xué)方法與物理方法制備（涉及混合，攪拌，溶解，透析，冷凍干燥，揮發(fā)，沉淀和超聲處理等操作）
輔助材料（適用于打印前、打印過(guò)程中及后處理工藝）

3D打印血管支架
3D打印方法：從打印裝置與打印工藝的角度詳細(xì)綜述了擠出3D打�。ú幌抻趥鹘y(tǒng)擠出打印，懸浮打印、同軸打�。�、噴墨3D打�。▊鹘y(tǒng)噴墨打印、電流體動(dòng)力噴射打�。�、光固化3D打印（SLA、DLP、計(jì)算軸向光刻）
3D打印技術(shù)與其它技術(shù)的結(jié)合：傳統(tǒng)鑄造/腐蝕鑄造與3D打印、靜電紡絲與3D打印、樂(lè)高積木式構(gòu)建與3D打印
表征制備的支架應(yīng)用于單培養(yǎng)與共培養(yǎng)技術(shù)中的可行性（以擠出3D打印為例）：利用成像技術(shù)與數(shù)據(jù)模型評(píng)估打印誤差；確保擠出打印后支架上細(xì)胞的準(zhǔn)確空間分布；確保支架內(nèi)部和表面結(jié)構(gòu)與待接種的細(xì)胞類(lèi)型匹配；通過(guò)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)評(píng)估支架的氧氣和養(yǎng)分含量；確保細(xì)胞在打印后存活并評(píng)估支架的細(xì)胞相容性

3D打印的血管維持長(zhǎng)期培養(yǎng)的方法：添加成分，包括相應(yīng)的細(xì)胞生長(zhǎng)因子，纖連蛋白，肝素，凝血酶等；維持適當(dāng)?shù)膒H值并改善血清質(zhì)量；利用其他細(xì)胞（如成骨細(xì)胞和肉瘤來(lái)源的細(xì)胞）的旁分泌促進(jìn)血管化

面向臨床生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化
支架性質(zhì)（圖3）預(yù)評(píng)估：基于打印技術(shù)初步評(píng)估支架性質(zhì)，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。支架性質(zhì)包括：三維結(jié)構(gòu)、連通性、生物物理性質(zhì)、生化性質(zhì)
臨床轉(zhuǎn)化：新冠肺炎誘發(fā)系列血管疾�。ňo迫性）。初步臨床應(yīng)用前的支架經(jīng)歷兩個(gè)流程：支架性質(zhì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、種植細(xì)胞/載細(xì)胞支架的培養(yǎng)（通常需引入培養(yǎng)箱或生物反應(yīng)器）。生物相容性評(píng)價(jià)方法：MTT測(cè)定，熒光染色，流式細(xì)胞術(shù)等。特異性評(píng)價(jià)：熒光染色，ELISA或PCR來(lái)評(píng)估。所涉及的活/死染色和熒光染色可在光/電子或多光子顯微鏡下可視化。ELISA法可定量測(cè)定血管的CD31和VEGF水平及植入血管支架后的炎癥因子（如TNF-α，IL-1β和IL-6）），PCR驗(yàn)證特定基因表達(dá)。
block /6 血管再生的支架研究展望

• 機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)：涉及血管支架建模與生物墨水的設(shè)計(jì)。墨水的配置目前聚焦于繁瑣實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)可能簡(jiǎn)化這一過(guò)程
• 近紅外光聚合：改善穿透性、光固化范圍及彩色模型的打印，避免紫外光固化對(duì)細(xì)胞影響
• 4D打�。荷婕把�管支架制造與后處理。可能是高精度支架制備的一個(gè)解決方案
• 細(xì)胞自組裝與3D打�。鹤越M裝在微納尺度范圍內(nèi)調(diào)控細(xì)胞。一個(gè)研究方向是細(xì)胞作為支撐材料的懸浮打印
  

圖3 支架性質(zhì)評(píng)估

相關(guān)論文：“3D printing of tissue engineering scaffolds: a focus on vascular regeneration”已在Bio-Design and Manufacturing期刊在線刊登。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院王鵬舉博士生為第一作者，孫雅洲教授為第二作者，劉海濤副教授為通訊作者。