螺旋式生物3D打印制造小尺寸血管結構

供稿人:趙廷澤 連芩
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

心血管疾病，如冠狀動脈疾病、外周動脈疾病等被認為是全球第一大的死亡原因。臨床中，通常首選自體動脈或者靜脈血管移植，以治療這類疾病。其中胸內(nèi)動脈、橈動脈和隱靜脈是最常用的自體移植物，這也是血管移植的金標準。然而使用隱靜脈移植后的血管能夠通暢的概率卻很低，其失敗率約為50%。同時，來自身體的其他部位的血管移植物很少有能夠滿足移植物所需尺寸與機械性能的需求，若使用這類移植物這也將導致移植手術的失敗。基于這些原因，研究人員們開始將目光轉向極具潛力的組織工程化血管移植物。

生物3D打印血管結構，因其在可創(chuàng)建定制的自體血管移植物替代物方面具有巨大的潛力，近年來受到越來越多的關注。日前，紐約州立大學Sebastian Freeman等人使用纖維蛋白與明膠材料，通過螺旋式生物3D打印的新型方法，成功制造了人工血管結構。值得注意的是，該人工血管結構通過兩個月的體外培養(yǎng)，其機械強度隨之增加，且血管結構的爆裂壓力達到1110 mmHG，約為人體大隱靜脈血壓值的52%。

該螺旋式生物3D打印方法使用可橫向移動的擠出打印頭，將生物墨水沉積在一可軸向旋轉的接收軸之上的方法。生物墨水由纖維蛋白、明膠以及人真皮層纖維細胞構成。打印的結構尺寸約為20mm×4.9mm×10.9mm（長度×內(nèi)徑×外徑），并使用凝血酶對結構進行交聯(lián)（圖1）。

圖1 打印的血管結構與其培養(yǎng)后hematoxylin & eosin (H&E), Verhoeff-Van Gieson (VVG), Gömöri trichome (TC)的染色結果。

在體外培養(yǎng)過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)所制造的血管結構的長度在長時間體外培養(yǎng)后僅有較小縮短，血管厚度在最初的快速下降后也可以基本保持穩(wěn)定（圖2）。

圖2 體外培養(yǎng)過程中血管結構的尺寸

研究人員將制作好的血管結構沿周向剪成條狀樣品并進行力學測試。記錄測試中的力和位移數(shù)據(jù)，與被測樣本尺寸結合，計算出被測樣品的力學參數(shù)。通過結合Barlow方程，可換算出了血管結構爆裂壓力的估計值。該研究為人造血管結構的制造提供了一種可行的方法，同時也為人工血管的性能分析提供了一種可能的手段。

參考文獻：
Freeman S , Ramos R , Alexis C P , et al. A bioink blend for rotary 3D bioprinting tissue engineered small-diameter vascular constructs[J]. Acta biomaterialia, 2019.