研究人员将古老的成型技术转向3D打印载有细胞的血管模型

心血管疾病(CVDs)仍然是全球死亡的主要原因之一。迫切需要从解剖学和生物学角度改进血管模型，以促进我们对疾病进展的理解。这种理解可以导致开发新的治疗干预措施。

虽然科学家通常严重依赖动物模型来帮助阐明CVD的病理生理学和药物开发，但他们受限于预测人类毒性的能力。昆士兰科技大学的通讯作者Yi-ChinToh副教授解释说：“鉴于动物和人类之间潜在的分子、细胞和生理机制存在差异，动物模型不一定能为我们提供对人类生理学的准确理解。”昆士兰大学)。

为了创建与人类更相关的替代模型，科学家们转向使用活人体细胞来工程组织。“为了确定人类生理学和病理生理学的关键细胞和分子贡献者，活的人类细胞被用于组织工程领域，以在细胞、组织和器官水平上建立具有明确组成的人工模型，”Toh教授解释说。

通过直接使用人体细胞，这些工程组织可以提供对正常人体器官功能和疾病病理生理学的见解，并更准确地预测研究性疗法在人体中的安全性和有效性。

目前在组织工程领域采用的技术之一是3D生物打印——将活的人体细胞与生物墨水混合并以特定方式沉积，以重现天然器官的微环境。然而，由于技术限制，使用当前的生物打印方法制造器官中发现的复杂性仍然具有挑战性。

困难之一是概括血管的复杂性。例如，血管分层分支，其中较大的血管在不同的长度尺度上分支成多个较小的血管。血管也是多层的，每一层由不同的细胞类型组成。

“打印的生物墨水必须具有支持活细胞和为血管结构提供结构完整性的双重功能。适用于活细胞的现有生物墨水通常柔软易碎，这使得直接3D打印复杂的血管结构具有挑战性，”说首席研究员，新加坡科技与设计大学(SUTD)副教授桥本道男。

“由于3D生物打印存在的局限性，我们决定不再完全依赖3D打印来制造血管结构。”

该团队开发了一种受古老成型方法启发的制造技术。3D打印用于制造血管网络的模具。然而，与填充的液体材料整体固化的传统成型工艺不同，该团队引入了一种独特的固化方法。

该技术涉及使用由聚(乙二醇)二丙烯酸酯(PEGDA)水凝胶组成的由两部分组成的3D打印模具。选择PEGDA水凝胶是因为它可以像海绵一样吸收钙离子，钙离子负责交联选定的生物墨水。

当通过模腔灌注含藻酸盐的生物墨水时，模具内的钙离子径向扩散到模腔中。钙离子的扩散促使生物墨水中存在的藻酸盐快速离子交联，形成管状结构。

“我们可以通过改变生物墨水在模腔中的持续时间来有效控制血管壁的厚度。随后，我们可以通过模具灌注缓冲溶液以去除未交联的生物墨水，”主要作者TerryChing博士说。D.SUTD的学生。

使用这种技术，研究人员成功地设计了独立、分支、多层和可灌注的血管网络。“重要的是，我们能够将其他生物活性材料混合到生物墨水中，使微环境更适合人类血管细胞，”Ching补充道。

该团队将相关血管细胞整合到与体内发现相似的配置中。该团队还将他们的独立血管结构安装在一个可膨胀的球囊上，以模拟冠状动脉在体内经历的循环负荷。

这种制造技术的多功能性和多方面的可能性应该让用户在容纳各种生物墨水和患者特异性细胞方面有更多的控制权。“最终，我们希望使用这些仿生血管结构来促进未来对CVD机制理解的研究以及评估治疗干预的模型，”MichinaoHashimoto副教授解释说。