華工施雪濤,、南科大劉吉《ACS Nano》: 3D打印強(qiáng)韌PVA基水凝膠構(gòu)建功能性血管結(jié)構(gòu)

臨床上，人工血管移植物常被用于替代或修復(fù)發(fā)生病變,、感染和創(chuàng)傷的血管,。血管移植物通常需要具備與真實(shí)血管匹配的尺寸和結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的機(jī)械性能以確�,？p合植入,，以及出色的血液相容性從而避免血栓產(chǎn)生。但人體中的血管系統(tǒng)錯(cuò)綜復(fù)雜,，包含很多尺寸微小,、結(jié)構(gòu)特異復(fù)雜的結(jié)構(gòu)如分叉血管、互聯(lián)血管網(wǎng)和瓣膜等結(jié)構(gòu),，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)于血管功能的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要,，而制備能夠復(fù)制天然血管復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能的血管構(gòu)建體，以滿足精準(zhǔn)醫(yī)療和個(gè)性化醫(yī)療需求仍然是一個(gè)難點(diǎn),。

為了解決這一問題,，華南理工大學(xué)施雪濤教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南方科技大學(xué)劉吉副教授團(tuán)隊(duì)，通過聚乙烯醇（PVA）基墨水高保真數(shù)字光處理（DLP）3D打印水凝膠血管構(gòu)建體,，然后通過構(gòu)建納米晶域進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)化,，并結(jié)合后續(xù)表面改性，制備出了性能理想的水凝膠血管構(gòu)建體,，兼顧便利制備和存儲(chǔ),、優(yōu)異的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和保真度、生物安全性,、機(jī)械適配性以及植入后短期和長(zhǎng)期下的通暢性,。制備出了一系列高復(fù)雜度的血管結(jié)構(gòu)，包括分叉血管,、小尺寸血管網(wǎng),、功能性肺血管芯片以及含精細(xì)瓣膜的靜脈血管移植物（BVVG）,，其中設(shè)計(jì)的BVVG在體外展示出優(yōu)異的單向通過性能，并在植入比格犬體內(nèi)后顯示出良好的功能性和通暢性,，為嚴(yán)重深靜脈功能不全疾病的治療提供了解決方案,。相關(guān)工作近日以“3D-Printed Hydrogels with Engineered Nanocrystalline Domains as Functional Vascular Constructs”發(fā)表在《ACS Nano》上。

在這項(xiàng)工作中,，PVA由于分子鏈結(jié)構(gòu)規(guī)則,、柔韌，可通過結(jié)晶形成定制水凝膠的力學(xué)性能,，此外，其羥基易于官能化修飾,，結(jié)合其出色的生物安全性和抗血小板黏附性,，使其成為制備具有所需性能的血管構(gòu)建體的理想材料�,；瘜W(xué)改性得到PVAGMA水凝膠墨水被用于DLP打印,，制備的血管結(jié)構(gòu)使用梯度NaOH溶液浸泡處理以產(chǎn)生納米晶域，使得結(jié)構(gòu)均勻收縮并獲得增強(qiáng),。以此方法可以制備出各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的血管構(gòu)建體,，并且通過后續(xù)的表面修飾生物活性物質(zhì)（含有RGD肽的明膠）賦予其體內(nèi)內(nèi)皮化潛力，而實(shí)現(xiàn)植入后避免急性血栓形成,，并可原位內(nèi)皮化賦予其長(zhǎng)期通暢性,。

高分子量PVA類型和高濃度的墨水被證明可以更大程度的形成結(jié)晶，從而獲得更強(qiáng)力學(xué)性能,，但是也會(huì)導(dǎo)致高粘度,，影響打印成功率和精度。為了獲得最佳的力學(xué)性能和打印分辨率,，研究者首先對(duì)墨水的配比進(jìn)行了篩選,，最終確定使用45 kDa分子量PVA，9 wt%的墨水濃度以及1.0 mg/ml的檸檬黃的墨水配比,。隨后,，為確定最佳的結(jié)晶誘導(dǎo)策略，多種方法被用于處理打印得到的極小曲面結(jié)構(gòu),，其中NaOH溶液處理方法可以同時(shí)獲得大幅的力學(xué)性能提升并且不會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)形變,。XRD結(jié)果證實(shí)了水凝膠中的納米尺寸結(jié)晶域的存在。不同的堿溶液濃度可以獲得不同力學(xué)性能增強(qiáng)效果,，而15 wt%的NaOH溶液處理下的水凝膠拉伸強(qiáng)度達(dá)到最高的1.05 MPa,。水凝膠最佳的性能超過常見的3D打印水凝膠體系，并且模量與人胸內(nèi)動(dòng)脈接近,。納米結(jié)晶域的存在賦予水凝膠優(yōu)異的抗疲勞性能和抗缺口斷裂性能,，這對(duì)于水凝膠血管的體內(nèi)縫合植入應(yīng)用十分有利,。由此制備的水凝膠血管展示出優(yōu)異的縫合線保持力，爆破壓和順應(yīng)性,，并且可以支持小分子溶質(zhì)和氣體的擴(kuò)散,，而阻隔大分子蛋白的擴(kuò)散。

隨后,，研究者們使用最佳的制備方法制備出各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的血管構(gòu)建體,，包括含有多分叉的主動(dòng)脈弓、主動(dòng)脈瓣膜,，以及最小內(nèi)徑0.75mm的血管網(wǎng),。構(gòu)建了基于極小曲面結(jié)構(gòu)，含有高接觸面積獨(dú)立兩相通道的功能性肺部芯片結(jié)構(gòu),，兩相通道中灌注流體和氧氣可以實(shí)現(xiàn)流體中含氧量的提升,。下肢靜脈結(jié)構(gòu)損傷會(huì)導(dǎo)致慢性靜脈功能不全，血液反流嚴(yán)重,，會(huì)進(jìn)一步誘發(fā)下肢水腫,、靜脈曲張、炎癥甚至血栓的發(fā)生,，研究者開發(fā)了仿生含瓣膜靜脈血管移植物（BVVG）,，以填補(bǔ)當(dāng)前相應(yīng)領(lǐng)域人工血管的空白。數(shù)值模擬結(jié)果表明BVVG中的瓣膜可以隨著流體流動(dòng)方向的改變有效張開和閉合,。隨后的一系列體外灌注實(shí)驗(yàn)均證明BVVG中的瓣膜具有優(yōu)異的單向流體通過性,，可有效阻止血液反流。并且,，制備的BVVG可以模擬腿部肌肉泵血效應(yīng)實(shí)現(xiàn)流體輸送,。

制備的水凝膠血管結(jié)構(gòu)進(jìn)一步進(jìn)行表面修飾，通過接枝明膠分子,，可以有效提升內(nèi)皮細(xì)胞黏附并且保持低血小板黏附和溶血率,。兔頸動(dòng)-靜脈灌流實(shí)驗(yàn)顯示水凝膠血管在體內(nèi)短期內(nèi)具有較低的致血栓性。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和皮下實(shí)現(xiàn)證明水凝膠血管具有優(yōu)異的生物安全性,。

為驗(yàn)證制備的水凝膠血管的體內(nèi)應(yīng)用前景,，選擇BVVG在比格犬體內(nèi)深靜脈處進(jìn)行植入，以驗(yàn)證BVVG在替代病變深靜脈上的潛力,。確定目標(biāo)部位血管尺寸后,，制備尺寸相仿的BVVG通過縫合植入到深靜脈中，然后再植入后分別于血管下方和上方注射造影劑進(jìn)行順行和逆行靜脈造影,。造影結(jié)果顯示出植入血管后造影劑可以順向通暢流過,，而逆向則被瓣膜阻止，表明BVVG在體內(nèi)應(yīng)用環(huán)境下保持有效的單向通過性,。隨后的B超和免疫熒光結(jié)果表明,，BVVG在植入一個(gè)月后保持通暢并且具有內(nèi)皮化趨勢(shì),，具有長(zhǎng)期通暢性潛力。

小結(jié)：這項(xiàng)工作通過三維打印結(jié)合結(jié)晶后處理來制備性能優(yōu)異的水凝膠基血管構(gòu)建體,，制備的血管構(gòu)建體充分復(fù)制了體內(nèi)血管的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能,，特別的，含瓣膜靜脈血管移植物在體外和體內(nèi)展示出色的單向通過性能,，有望應(yīng)用于嚴(yán)重的深靜脈疾病治療,。總之,，開發(fā)的3D打印水凝膠體系在臨床個(gè)性化血管移植和血管化器官構(gòu)建研究中大有可為,，為創(chuàng)造各種人工組織和器官植入提供了潛在的拓展空間。文章第一作者為華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院施雪濤教授課題組博士生葉潭,，南方醫(yī)科大學(xué)柴牧原,、華南理工大學(xué)王振興、南方醫(yī)科大學(xué)邵婷如為本文共同第一作者,。


原文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c08359


來源：高分子科學(xué)前沿