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  作為擠出式生物打印技術的一種變體，微流控同軸生物打印技術可以通過多層噴頭同步擠出多種生物墨水、交聯劑等組分，特別適用于構建單層或多層的中空管狀結構，近年被廣泛應用于組織工程化人工血管的構建研究中。然而，目前同軸生物打印的人工血管尚難以同時具備優異的機械性能和仿生功能等特征。在已有的研究基礎（如Advanced Materials, 2018, 30, 1706913）上，哈佛醫學院Y. Shrike Zhang教授課題組聯合麻省理工學院趙選賀教授課題組設計了一種基于海藻酸鹽和明膠天然聚合物的高細胞相容性強韌雙網絡水凝膠，用于高通量微流控同軸生物打印功能化的單層及雙層中空血管組織，以分別模擬天然靜脈及動脈，實現了解剖結構、機械性能及重要血管功能的仿生。

 圖1. 堅韌天然雙網絡水凝膠生物墨水的設計與機械性能表征

  此雙網絡水凝膠通過Ca²⁺物理交聯的海藻酸鹽形成第一級網絡，以微生物轉谷氨酰胺酶（mTG）化學交聯的明膠 (gelatin)（或明膠甲基丙烯酰（GelMA））形成第二層網絡，原材料均為天然聚合物，且mTG為FDA批準的酶，整體生物相容性相比于傳統雙網絡水凝膠較佳。海藻酸鹽和明膠之間存在強靜電作用，在0.1 s^-1剪切速率下，兩者混合水凝膠溶液的表觀粘度為單組分的40倍。在雙網絡水凝膠中，第一級網絡由致密可逆離子交聯形成，大幅度提升了水凝膠的剛度與能量耗散的能力；第二級網絡由酶引發的稀疏共價交聯組成，賦予了水凝膠良好的彈性和柔性。因此，該雙網絡水凝膠表現出了優異的機械性能，相對于單組分水凝膠，它具有更高的強度和可拉伸性。此外，其高效的能量耗散機制和強化的可拉伸性賦予了水凝膠出色的斷裂能（616.3 J·m^-2）。

圖2. 微流控同軸擠出式生物打印中空導管及其機械性能表征

圖3. 微流控同軸擠出式生物打印人工靜脈的結構及生物學功能表征

  研究者在單層導管管腔內和管壁外分別接種薄層的靜脈內皮細胞和平滑肌細胞以模擬天然靜脈，內皮細胞通過注射器腔內推注細胞懸液完成接種；至于平滑肌細胞的接種，研究者則是將打印后的單層導管置于特定的凹陷疏水模具中，使細胞選擇性地貼附在親水性的水凝膠管壁外，最終兩種細胞分別在管壁內、外實現了密集的粘附，解決了細胞難以接種于水凝膠管壁的難題，細胞活死實驗表明單層導管的細胞相容性優異。免疫蛋白熒光染色證明，內皮細胞間存在緊密的細胞間連接以保證內皮細胞發揮相關功能，并活躍合成層粘連蛋白；平滑肌細胞表達出了致密的α-平滑肌肌動蛋白和微管蛋白，染色結果證實了人工血管腔內功能性內皮層和外壁平滑肌層的形成。類似于天然血管，人工血管內表面的內皮層作為血管屏障，在控制生物分子、營養物質和細胞的外滲方面發揮著關鍵作用。滲透性實驗表明，含有內皮細胞層的人工靜脈有效的延遲了熒光分子的外滲速度，發揮了內皮層的功能。

圖4. 微流控同軸擠出式生物打印人工動脈的結構及生物學功能表征

圖5. 微流控同軸擠出式生物打印人工動脈的體外、離體及體內應用

  通過體外、離體及體內實驗，該人工血管表現出了作為臨床前體外器官模型和體內組織移植物的應用潛能。作為體外模型應用上，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，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皮細胞高表達了SARS-CoV-2感染的關鍵受體—ACE2。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。為了探索該生物打印的人工血管做為組織移植物的潛力，研究者分別進行和離體和體內吻合實驗。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現泄漏；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，發現血流流通通暢無泄漏，因此初步證明了其作為組織移植物的可能性。

  原文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq6900