通过同轴牺牲打印将仿生血管网络嵌入功能组织

打印具有生物仿真血管网络的组织和器官受到广泛关注。天然血管由 按 同心圆形状排列的细胞层组成，最内层 的 平滑肌细胞 提供重要保护和支持功能 。目前在基质中嵌入的可灌注通道具备简单功能，但并不具备 此 天然 的 血管结构。基于此， 来自哈佛大学的 Jennifer A. Lewis教授团队 开发了一种同轴 打印 写入功能组织的 技术 （ co-SWIFT），这种嵌入式生物打印技术能够在颗粒水凝胶和高密度细胞基质中生成 多 层分支血管网络。研究者设计的同轴打印喷头采用内核 -外壳 喷嘴 配置，以促进在嵌入式生物打印过程中印刷的分支血管之间的内核 -内核和外壳-外壳的牢固连接。在打印后，牺牲性内核材料被移除， 并在 剩下的外壳材料内表面接种一层紧密的内皮细胞，提供良好的屏障功能。最后，在无细胞基质中优化该方法后，通过 co-SWIFT将生物仿真血管嵌入由hiPSC衍生的高密度细胞心脏器官模块组成的功能性组织基质中，为创建血管化人类组织用于药物测试、疾病建模和治疗应用开辟了新途径。

首先， 研究人员首先设计了一种新型同轴打印头，该打印头由具有两个独立可控流体通道 及下方扩大的 内核 -外壳喷嘴组成 ，内外喷嘴 分别用于内核和外壳墨水 打印 。 另外还设计了一个 平衡室 用于缓冲 外壳墨水 被挤压时骤起的应力 ，以确保墨水通过外壳喷嘴时 被 均匀挤出 。其次， 平衡室的高度和直径 经过特殊设计以保证墨水在喷嘴管道中的对称流动。而内壳喷嘴长度比外壳喷嘴伸长了约 2 50 微米（一个中型动脉壁的厚度），能刺穿已打印的外壳支架，实现 多层分支血管 之间的内核 -内核和外壳-外壳连接 （图 1） 。

然后， 研究人员创建了多种颗粒状海藻酸钠 凝胶基质用于承接打印体并保持打印后的血管结构稳定，这些基质具有 不同浓度（ 0.5-2%）的海藻酸钠颗粒和总颗粒体积分数（ϕ = 0.80–0.86）。 经过多次尝试，研究者最终 确定 使用的基质体系参数为 0.5%海藻酸钠 颗粒 和 0.86 的总颗粒体积分数 ，其具有的剪切屈服应力（𝜏y）约为70 Pa ，并具有理想的粘塑性和自愈性行为，适合 co-SWIFT 使用 。然后， 研究者又利用明胶 配制了 可 牺牲 的 内核墨水，使其剪切稀化行为和𝜏 y与 上述 颗粒海藻酸钠 水凝胶体系 相匹配。 其次， 受到天然血管壁主要由胶原蛋白组成的启发，研究 者 使用高密度胶原蛋白与明胶 、 PBS混合制成了三种外壳墨水，𝜏 y值分别 为 750 Pa ， 40 Pa 和 5 Pa。 打印后发现 ，只有𝜏 y = 750 Pa的外壳墨水在打印时表现出均匀的内核-外壳结构。𝜏 y = 40 Pa 的 外壳 墨水 在 打印时会使血管 底部变薄。 而𝜏 y = 5 Pa 的 外壳 墨水则 无法完全包裹住内核墨水。因此， 研究者得出推论：对于 同轴嵌入打印来说，最佳的内核 -基质 𝜏 y比大致为1，最佳的外壳-基质𝜏 y比大约为10 （图 2） 。

接下来， 研究者 在 颗粒 海藻酸钠基质中通过 co-SWIFT创建一个对称的二维血管网络，探索了关键打印参数的影响。横截面图像显示，每一 级血管 都保留了同心 圆形状 的内核 -外壳结构。进一步 地 ，研究人员设计、打印并灌注了一个三维层次分支的血管网络，该网络嵌入在由 μPOROS 胶原蛋白组成的细胞外基质中。 紧接着 ，研究人员 又形成 了一个 负载 平滑肌细胞（ SMC）的外壳 -内核 墨水组成的仿生血管网络 ，并在外壳内 表面种植内皮细胞。经过 7 天的灌注， 结果显示 平滑肌细胞 仍 保持活性， 并 环绕血管壁 铺展 ， 排 列成一个连续的单层 细胞内膜 ，具有黏附连接。 同时也 进行了 Miles 实验以评估这些血管的融合性 （图 3）。

最终，研究人员通过 co-SWIFT 制备了具有仿生血管的整体心脏组织。他们 利用 hiPSC 来源的心肌细胞构成的多细胞球体创建了数十万个心脏构建块（cOBB ）， 并 离心挤压成一个致密 整体 。然后，研究人员通过 co-SWIFT 打印技术在心脏 cOBB 中 构建了 仿生血管。将整体心脏组织加热到 37°C 后， 内核 的明胶墨水 融化 ，从核心区域中去除，留下互联 的无缝 腔道。与 SWIFT 组织相比，co-SWIFT 心脏组织的血管腔圆形度高出几乎两倍。

在灌注 后 的第 1 天，活死 染色 结果显示 co-SWIFT 心脏组织内的细胞活性很高。在灌注的第 2 天，将内皮细胞播种到嵌入血管的腔道表面 ，并在 经过 7 天的灌注 后， 嵌入的血管 产生了 一层连续的 被 平滑肌细胞包绕着 的 内皮细胞 层 。 生物功能方面，此 co-SWIFT 心脏组织 可以产生搏动，且在 灌注了氧合介质 和 异丙肾上腺素后， 其 自发 搏动 频率增加了一倍。 即使 在复杂模具中 ，也能 打印患者特定的左冠状动脉（ LCA） 主 干分支的缩 小 模型 。 未来， 研究者 计划在 co-SWIFT 心脏组织中生成自组装的微血管网络，并促进它们与体外打印血管的吻合，以更全面地重现原生心肌，并增强心脏功能 （图 4） 。

综上所述 ，研究人员建立了 一个 同轴生物打印方法，能够将多层分支血管网络嵌入到无细胞和密集细胞组织中。通过设计和制造定制的核心 -外壳喷嘴， 研究者 生产 了 由外壳墨水围绕牺牲 内核 墨水组成的层次分支血管。在去除牺牲核心后 ， 这些血管网络具有互联的腔道，并 通过 种植内皮细胞，形成 具有 良好屏障功能的连续内皮层。最后，他们 在 cOBB中嵌入了 此 仿生 多层 血管 结构， 为在软组织和活体组织构建物中嵌入仿生血管网络提供了一个开创性的进展。

该研究由来自哈佛大学的 Jennifer A. Lewis教授团队完成并于2 024 年 8月2日在线发表于 Advanced Materials 。

论文信息： Paul P. Stankey, Katharina T. Kroll, Alexander J. Ainscough, Daniel S. Reynolds, Alexander Elamine, Ben T. Fichtenkort, Sebastien G.M. Uzel ^* , Jennifer A. Lewis ^* ， Embedding b iomimetic vascular networks via coaxial sacrificial writing into functional tissue, Adv. Mater. 2024, 2401528.

供稿：段煜东

审校：朱彩虹

编辑：江浩