高效构建仿生血管网络，促进组织再生
作者：wen 来源：本站 日期：2021/5/16 10:18:48 人气：67
纤维材料改性重点国家实验室游正伟教授团队在3D打印和再生医学领域取得重要进展，相关成果以《面向组织再生的3D打印仿生血管网络》(3D printing of biomimetic vasculature for tissue regeneration)为题，发表于材料学领域著名期刊《Materials Horizons》。
组织、器官的病变和损伤一直以来严重威胁人类健康，传统临床上主要靠器官移植来治疗，但是器官来源有限、存在免疫排斥反应、潜在病毒传染等一系列问题。组织工程学综合应用工程学和生命科学的基本原理，研究开发用于修复、维持或改善人体病损组织的具有生理功能的替代物。其深刻地改变了传统医学的概念，被认为是继细胞生物学和分子生物学之后，生命科学发展史上的又一个里程碑，标志着医学步入了制造组织和器官的新时代，从某种意义上说，它已成为一个国家医学发展水平的标志之一。但是其临床应用还非常有限，其中一个核心的挑战就是如果有效解决构建组织的物质供给问题。因为组织细胞都高度依赖分支化血管系统，为细胞提供良好的物质交换以维持细胞生长的良好环境。而大多数组织工程构建的组织都不具有理想的微血管网络，当中高密度细胞无法得到充分的物质交换且快速形成坏死中心。因此如何构建仿生血管网络，是组织再生领域中的一个核心挑战。
针对上述关键瓶颈问题，游正伟教授团队建立了基于3D打印技术的新策略，实现了血管网络的高效仿生构筑。提出了从宏观个性化脉络结构、可灌注通道网络、渗透性管壁三个层次对血管网络进行多级结构仿生的概念。其中初级框架结构可通过数字化加工实现，满足精准医疗的个性化需求，在宏观结构上模拟再生组织的形态；次级结构的管道网络具有良好整体连通性，可提供液体在内部灌注、流动、输送的功能，模拟血管网络的分支化通道结构；第三级结构是管壁上具有梯度分布的微孔结构，以保证管道内外的物质交换，模拟血管壁的可渗透性功能。
制备原理和多级仿生结构的示意图
据该工作第一作者东华大学博士生雷东介绍说，该工作是从中国传统手工艺“糖画”中获得灵感，将市售蔗糖作为单一原料，巧妙地利用3D打印机对其加热进行预焦糖化，现场制备具有良好打印性的墨水，然后3D“作画”，实现了糖模板的一锅法3D打印定制。然后通过相分离机制和牺牲模板策略相结合，高效构筑了可灌注的聚合物基血管网络和可控的微孔管壁。该方法具有良好的普适性，适用于热塑和热固性等多种材料，同时能够很好地和各种组织工程支架比如海绵状多孔支架、水凝胶、静电纺纳米纤维支架、细菌纤维素等结合制备含有内嵌仿生血管网络的复合支架。
进而游正伟教授团队和上海交通大学附属瑞金医院的赵强教授和叶晓峰副教授合作，证实该仿生血管网络复合支架在体外可维持高浓度细胞存活，体内可以促进血管和组织新生；进一步用于治疗大鼠心肌梗塞，显著改善了心肌局部缺血，有效防止了心肌纤维化。该支架具有良好的生物相容性和可降解性，能够根据个体需求3D打印定制，未来还可以与药物和干细胞复合，实现药物缓释和干细胞递送，为组织缺损再生修复等提供精准医疗新方案。同时可以构建体外3D组织模型，用于药物筛选。另外在微流控等领域也有潜在的应用前景。
仿生血管网的心肌梗塞补片应用
游正伟教授团队近年来专注生物弹性体材料及其3D打印的研究，去年的报道以“盐”为核心的“咸墨水”打印，成功实现了热固性材料3D打印[1]，并以生物弹性体为代表，实现了组织工程支架[2]和可穿戴摩擦纳米发电机[3]的个性化定制。此次，该团队以“糖”为核心，用“甜墨水”实现了仿生血管网络的构建。