基于強韌水凝膠的微流控同軸生物3D打印

供稿人：王森、王玲 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

在機械和功能上與原生血管組織相當(dāng)?shù)捏w外血管組織三維生物打印是一個尚未解決的挑戰(zhàn)。近期，哈佛醫(yī)學(xué)院的Y. Shrike Zhang和麻省理工學(xué)院的趙選賀等人基于一種強韌雙網(wǎng)絡(luò)生物墨水及其微流控同軸打印方法制備了單層和雙層導(dǎo)管結(jié)構(gòu)，分別用于重建靜脈樣和動脈樣組織。打印的靜脈和動脈導(dǎo)管具備各自血管的關(guān)鍵功能，包括力學(xué)性能、灌注性、屏障性能、特異性標記物的表達，其中動脈導(dǎo)管還具有生理性血管收縮和擴張反應(yīng)。進一步通過Covid-19 病毒的感染性及在體血管接合導(dǎo)通性證明了其作為體外疾病研究的血管模型和體內(nèi)血管手術(shù)移植物的潛力，相關(guān)論文發(fā)表在Science Advanced雜志上。

雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠由明膠和海藻酸鈉組成，通過鈣離子物理交聯(lián)海藻酸鈉形成第一級網(wǎng)絡(luò)，以微生物轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶（mTG）化學(xué)交聯(lián)明膠形成第二級網(wǎng)絡(luò)，此外海藻酸鹽和明膠之間存在強靜電作用（圖1A）。第一級網(wǎng)絡(luò)由致密可逆離子交聯(lián)形成，大幅提升水凝膠剛度與能量耗散能力；第二級網(wǎng)絡(luò)由酶引發(fā)的稀疏共價交聯(lián)形成，賦予了水凝膠良好的彈性和柔性。相比于單組分水凝膠，該雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠表現(xiàn)出了優(yōu)異的機械性能（圖1B-1D）。研究者分別利用定制化的雙通道和三通道同軸噴頭打印單層和雙層中空管狀結(jié)構(gòu)（圖1E-1F）。芯層材料為氯化鈣，針對靜脈打印的仿生單層導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的管壁材料由中粘度海藻酸鹽（MAlg）及明膠組成（Bioink-1），以提供細胞黏附與形成強韌力學(xué)支撐。針對動脈打印的仿生雙層導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的外壁材料由低粘度海藻酸鹽和光固化明膠組成（Bioink-2），以支持細胞生長。打印的導(dǎo)管結(jié)構(gòu)具有良好的可灌注性和選擇滲透性能力，且與小鼠天然血管相比，其機械性能無顯著差異（圖1G）。

圖1 強韌雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠生物墨水性能及微流控擠出生物打印導(dǎo)管

針對體外模型應(yīng)用，研究者通過SARS-CoV-2偽病毒（pCoV-VP）感染來研究人工血管的直接反應(yīng)，并采用兩種臨床批準用于COVID-19的抗病毒藥物瑞德西韋 (RMD) 和阿莫地喹 (ADQ) 處理感染后的血管，以觀察抗病毒藥物的有效性。pCoV-VP 感染前的染色表明，接種于人工血管的平滑肌細胞和內(nèi)皮細胞高表達了SARS-CoV-2感染的關(guān)鍵受體—ACE2（圖2A）。病毒處理后實驗表明，人工血管容易受到SARS-CoV-2感染，并且在抗病毒藥物存在的情況下，pCoV-VP 的細胞病變作用降低，細胞活性和代謝活性明顯提高（圖2B-2C）。針對體內(nèi)實驗，研究者分別進行和離體和體內(nèi)吻合實驗。首先，通過不同管徑的人工血管分別與直徑約1 mm的離體小鼠主動脈和直徑約5 mm的離體人靜脈通過組織膠水進行吻合，并灌注以熒光染料，觀察到染料流通通暢，在吻合口處或血管壁處均未發(fā)現(xiàn)泄漏（圖2E）；其次 ，在活體小鼠中，將人工血管移植至小鼠腔靜脈斷端，打開血管夾后，發(fā)現(xiàn)血流通暢無泄漏，因此初步證明了其作為組織移植物的可能性（圖2F）。

圖2 生物打印血管導(dǎo)管的體外和體內(nèi)應(yīng)用

總之，該研究開發(fā)了由明膠(或GelMA)和藻酸鹽組成的雙網(wǎng)絡(luò)強韌水凝膠(生物)墨水，具有合適的流變性能和生物相容性，用于工程化小直徑血管導(dǎo)管的微流體(生物)打印。生物打印的靜脈和動脈導(dǎo)管分別由內(nèi)內(nèi)皮層和外平滑肌層組成，分別模仿了原生靜脈和動脈的重要特征。致密的內(nèi)皮單層提供了屏障功能，動脈導(dǎo)管較厚的平滑肌層允許導(dǎo)管像原生小動脈一樣收縮和擴張。生物打印的血管導(dǎo)管也可以作為很好的體外血管模型，用于研究血管對病毒感染的反應(yīng)和抗病毒藥物的療效及在體內(nèi)應(yīng)用的血管移植的潛力。與該領(lǐng)域已有的進展相比，本研究的同軸生物打印血管導(dǎo)管在物理性能和生理穩(wěn)定性上均具有顯著優(yōu)勢。

參考文獻：
Wang D, Maharjan S, Kuang X, Wang Z, Mille L S, Tao M, Yu P, Cao X, Lian L, Lv L, He J J, Tang G, Yuk H, Ozaki C K, Zhao X, Zhang Y S. Microfluidic bioprinting of tough hydrogel-based vascular conduits for functional blood vessels[J]. Science Advances, 2022, 8(43): eabq6900.