悉尼大學(xué)利用3D打印構(gòu)建血管模型

來源： EngineeringForLife

血栓形成是心血管疾病（CVDs）的主要驅(qū)動(dòng)因素，導(dǎo)致了全球范圍內(nèi)的高發(fā)病率和死亡率。然而，當(dāng)前用于研究血栓形成的動(dòng)物模型和體外系統(tǒng)存在局限性，無法充分模擬人類復(fù)雜的血管結(jié)構(gòu)和血液動(dòng)力學(xué)條件。這些限制阻礙了對血栓形成機(jī)制的深入理解，以及新治療方法的開發(fā)。生物打印技術(shù)作為一種新興的方法，展現(xiàn)出構(gòu)建結(jié)構(gòu)和功能上模擬天然血管的生物模擬血管模型的潛力。通過精確控制細(xì)胞、生長因子和生物材料的三維空間排列，生物打印能夠制造出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的定制化組織構(gòu)造，為血栓研究提供了新的平臺(tái)和可能性。

鑒于此，悉尼大學(xué)Lining Arnold Ju等人綜述了生物打印技術(shù)在血栓研究中的應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)了血栓形成作為心血管疾病主要原因的重要性，并指出了傳統(tǒng)研究方法的局限性。文章探討了生物打印如何模擬血管的結(jié)構(gòu)和功能，以及如何通過精確的空間排列細(xì)胞和生物材料來構(gòu)建復(fù)雜的血管模型。討論了生物打印技術(shù)的最新進(jìn)展，包括多材料打印和微流體集成，這些技術(shù)有助于開發(fā)更符合生理?xiàng)l件的血栓模型。同時(shí)，文章也提出了生物打印領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)，如開發(fā)更先進(jìn)的生物材料和標(biāo)準(zhǔn)化打印流程。

1.主要內(nèi)容   

圖1 血管壁結(jié)構(gòu)和機(jī)械力

它展示了動(dòng)脈、靜脈和毛細(xì)血管的血管壁結(jié)構(gòu)，這些血管壁由三層組成：內(nèi)膜、中膜和外膜。內(nèi)膜由內(nèi)皮細(xì)胞（ECs）構(gòu)成，中膜包含平滑肌細(xì)胞（SMCs）和彈性纖維，而外膜主要由膠原纖維構(gòu)成。此外，還描述了血管所承受的主要機(jī)械力量，包括剪切應(yīng)力、周向應(yīng)力和軸向應(yīng)力。剪切應(yīng)力是血液流動(dòng)對血管壁的摩擦力，受流量、剪切率、流體粘度和血管腔半徑的影響。周向應(yīng)力是作用在血管壁切線方向上的力，而軸向應(yīng)力是沿血管縱向軸施加的力。這些力量對血管內(nèi)皮細(xì)胞的功能和血管穩(wěn)態(tài)起著重要的調(diào)節(jié)作用，剪切應(yīng)力的變化可能導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙，進(jìn)而影響血栓形成的過程。   

圖2 剪切誘導(dǎo)的血小板激活/聚集

剪切力誘導(dǎo)的血小板激活/聚集（SIPA）是血小板對血流剪切力的生物學(xué)響應(yīng)，通常發(fā)生在血液流經(jīng)狹窄處或高剪切率條件下。這一過程涉及血管性血友病因子（vWF）的釋放、血小板形態(tài)和受體結(jié)合的變化、血小板聚集以及細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路的激活。在高剪切力下，血小板GPIb與vWF之間的相互作用啟動(dòng)了血小板的粘附和激活。激活的血小板釋放多種激動(dòng)劑，如腺苷二磷酸（ADP）和血栓素A2（TxA2），這些激動(dòng)劑進(jìn)一步放大血小板聚集和血栓形成。   

圖3 生物打印血管導(dǎo)管的制備

首先，通過使用MRI、CT和其他醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，可以獲得血管網(wǎng)絡(luò)和細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、尺寸和空間排列的詳細(xì)信息，這對于設(shè)計(jì)患者特異性的血管通道至關(guān)重要。其次，選擇適合生物打印的生物墨水，這些生物墨水通常由具有適當(dāng)流變學(xué)和機(jī)械特性的水凝膠組成，以確保成功的生物打印。細(xì)胞的選擇同樣重要，例如，可以選擇內(nèi)皮細(xì)胞（ECs）、平滑肌細(xì)胞（SMCs）和成纖維細(xì)胞來準(zhǔn)確復(fù)制天然血管的結(jié)構(gòu)和功能。此外，生物墨水中的生物活性成分也是確保打印性、結(jié)構(gòu)完整性以及支持細(xì)胞生長和功能的必要因素之一。   

圖4 噴墨式生物打印用于制造血管結(jié)構(gòu)

通過使用細(xì)胞-明膠混合物和逐層噴墨打印方法，研究者們成功構(gòu)建了具有特定尺寸和功能的血管通道。這些通道不僅在微觀尺度上模擬了真實(shí)血管的形態(tài)，而且在內(nèi)表面形成了人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）的單層，展現(xiàn)了對血漿蛋白和右旋糖酐分子的屏障功能。此外，通過電液滴噴射（EHD）噴墨生物打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了微血管結(jié)構(gòu)的高分辨率制造，這些結(jié)構(gòu)的尺寸可低至30微米。在這一過程中，使用了Pluronic F127作為犧牲模板，以及含有人真皮成纖維細(xì)胞（HDFs）的GelMA作為永久基質(zhì)，通過去除犧牲模板實(shí)現(xiàn)了內(nèi)皮化，形成了具有功能性的內(nèi)皮層。  

圖5 基于擠出式的生物打印用于制造血管結(jié)構(gòu)

使用擠出式生物打印技術(shù)制造血管結(jié)構(gòu)，其中包括利用自由形態(tài)可逆嵌入水凝膠（FRESH）技術(shù)在心臟模型中構(gòu)建多尺度血管網(wǎng)絡(luò)，以及通過調(diào)整打印速度使用SWIFT方法制造不同直徑的管狀結(jié)構(gòu)。研究者們還通過共軸擠出技術(shù)，將人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）和人動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞（HASMCs）分別包裹在不同的生物墨水中，然后通過共軸噴嘴擠出，形成了具有模擬體內(nèi)細(xì)胞排列的雙層空心纖維。此外，還有研究利用海藻酸鹽作為外層材料，核心細(xì)胞懸浮液作為內(nèi)層，通過平滑肌細(xì)胞的定向自組裝形成具有雙層結(jié)構(gòu)的血管模型。   

圖6 基于光刻技術(shù)的生物打印用于制造血管結(jié)構(gòu)

光固化生物打印技術(shù)能夠制造出具有高精度和高分辨率的組織結(jié)構(gòu)，特別適合于對細(xì)胞友好的生物打印應(yīng)用。圖中展示了使用數(shù)字光處理（DLP）生物打印技術(shù)制造的血管模型，這些模型具有內(nèi)部微通道，深度和分辨率分別達(dá)到1.7毫米和200-350微米。此外，為了克服傳統(tǒng)成像設(shè)備淺成像深度的限制，研究中采用了光聲顯微鏡（PAM）進(jìn)行深度可視化，能夠觀察到3.6毫米深的血管結(jié)構(gòu)。盡管這些3D打印結(jié)構(gòu)通常較為脆弱，但通過在生物墨水中加入增強(qiáng)材料，如電紡纖維或3D打印支架，可以顯著提高其機(jī)械強(qiáng)度和彈性。   

圖7 在生物打印技術(shù)和血管化組織修復(fù)與再生方面取得的進(jìn)展

相關(guān)進(jìn)展包括使用合成聚合物基生物墨水制造納米復(fù)合水凝膠和雙重網(wǎng)絡(luò)（DN）水凝膠，以提高血管導(dǎo)管的機(jī)械強(qiáng)度和韌性。圖中描述了一種可拉伸的DN水凝膠生物墨水系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于生物打印小直徑的靜脈導(dǎo)管，這些導(dǎo)管在結(jié)構(gòu)和生物學(xué)功能上都模擬了天然血管的特點(diǎn)。這種水凝膠展現(xiàn)出了優(yōu)越的強(qiáng)度和延展性，其拉伸強(qiáng)度、楊氏模量、拉伸應(yīng)變以及爆裂壓力均優(yōu)于小鼠靜脈，顯示出與天然血管相似的關(guān)鍵特性。此外，圖中還展示了通過體積生物打印與熔融電寫技術(shù)結(jié)合制造的具有優(yōu)異機(jī)械性能的血管導(dǎo)管。這些導(dǎo)管不僅在結(jié)構(gòu)上模仿了天然血管的多層結(jié)構(gòu)，還能夠承受高壓力和彎曲，為生物打印血管模型的臨床應(yīng)用提供了新的可能性。

2.全文總結(jié)   
本文綜述了生物打印技術(shù)在血栓研究中的應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)其在模擬人類血管系統(tǒng)和血液動(dòng)力學(xué)條件方面的優(yōu)勢。文章指出，心血管疾病是全球主要死因之一，血栓形成作為其主要原因，其機(jī)制復(fù)雜，現(xiàn)有研究方法存在局限。生物打印提供了一種新途徑，能夠構(gòu)建具有生物相容性的血管模型，有助于深入研究血栓形成機(jī)制。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2024.08.040