哈尔滨工业大学王鹏举、刘海涛等：3D打印用于血管再生的组织工程支架

血管化组织工程策略（图2）：首先，通过参数化建模或基于micro-CT/MRI的3D重建技术建模。随后，采用生物材料墨水或生物墨水，通过3D打印技术制备支架。随后，对支架特性（如，连通性，三维结构，力学和生化特性）进行表征与验证；引入细胞生长所需的生物活性物质以进行血管化。给出了细胞培养过程面临的挑战：细胞培养的最佳培养条件是什么？制备支架后如何调节血管细胞的生长？如何使支架的降解速率与新血管组织的形成速率相匹配？如何使新血管与体内血管融合形成相互连接的血管网络，从而促进新陈代谢和营养物质的输送？

支架技术相比无支架技术的优势：通常无支架技术涉及细胞层片或细胞球体。球状体形成方法：微流体技术，球状体形成的基质和悬滴技术。优势：支架技术为细胞繁殖提供更好的空间结构和生长微环境；支架方法打印的血管支架的特性特别是生物力学和生物化学性质可定制；支架易于细胞攀爬和生长。

支架技术相比无支架技术的优势：通常无支架技术涉及细胞层片或细胞球体。球状体形成方法：微流体技术，球状体形成的基质和悬滴技术。优势：支架技术为细胞繁殖提供更好的空间结构和生长微环境；支架方法打印的血管支架的特性特别是生物力学和生物化学性质可定制；支架易于细胞攀爬和生长。

图1 血管组织结构

图2 血管化组织工程策略

2 血管支架建模方法

参数化设计：三维软件直接建模；基于二次开发技术的三维重建；结合人工智能技术的三维建模

参数化设计：三维软件直接建模；基于二次开发技术的三维重建；结合人工智能技术的三维建模

逆向工程：micro-CT/MRI扫描。通常流程：三维扫描目标对象、面向DICOM格式的数据格式转换、三维软件重建（如Mimics）

逆向工程：micro-CT/MRI扫描。通常流程：三维扫描目标对象、面向DICOM格式的数据格式转换、三维软件重建（如Mimics）

逆向工程与参数化设计相结合的方法

逆向工程与参数化设计相结合的方法

表征支架建模适用于体内血管再生的可行性：有限元分析和流体数值模拟预测支架的弹性模量和膨胀与收缩；数值模拟预测氧气和营养物质含量；采用测量软件和其他方法使模型的孔隙率和孔径与原始血管结构相匹配；使设计的模型匹配相应的生理结构。

3 用于血管支架的3D打印材料

打印材料：细胞（间充质干细胞的分化、内皮细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞）、生物材料（海藻酸盐、胶原、丝素蛋白、透明质酸、基质胶、明胶、聚己内酯、聚乳酸、聚乙二醇二丙烯酸酯、羟基磷灰石、GelMA、去细胞基质）

打印材料：细胞（间充质干细胞的分化、内皮细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞）、生物材料（海藻酸盐、胶原、丝素蛋白、透明质酸、基质胶、明胶、聚己内酯、聚乳酸、聚乙二醇二丙烯酸酯、羟基磷灰石、GelMA、去细胞基质）

制作方法：化学方法与物理方法制备（涉及混合，搅拌，溶解，透析，冷冻干燥，挥发，沉淀和超声处理等操作）

制作方法：化学方法与物理方法制备（涉及混合，搅拌，溶解，透析，冷冻干燥，挥发，沉淀和超声处理等操作）

辅助材料（适用于打印前、打印过程中及后处理工艺）

辅助材料（适用于打印前、打印过程中及后处理工艺）

4 3D打印血管支架

3D打印方法：从打印装置与打印工艺的角度详细综述了挤出3D打印（不限于传统挤出打印，悬浮打印、同轴打印）、喷墨3D打印（传统喷墨打印、电流体动力喷射打印）、光固化3D打印（SLA、DLP、计算轴向光刻）

3D打印方法：从打印装置与打印工艺的角度详细综述了挤出3D打印（不限于传统挤出打印，悬浮打印、同轴打印）、喷墨3D打印（传统喷墨打印、电流体动力喷射打印）、光固化3D打印（SLA、DLP、计算轴向光刻）

3D打印技术与其它技术的结合：传统铸造/腐蚀铸造与3D打印、静电纺丝与3D打印、乐高积木式构建与3D打印

3D打印技术与其它技术的结合：传统铸造/腐蚀铸造与3D打印、静电纺丝与3D打印、乐高积木式构建与3D打印

表征制备的支架应用于单培养与共培养技术中的可行性（以挤出3D打印为例）：利用成像技术与数据模型评估打印误差；确保挤出打印后支架上细胞的准确空间分布；确保支架内部和表面结构与待接种的细胞类型匹配；通过生物学实验评估支架的氧气和养分含量；确保细胞在打印后存活并评估支架的细胞相容性

3D打印的血管维持长期培养的方法：添加成分，包括相应的细胞生长因子，纤连蛋白，肝素，凝血酶等；维持适当的pH值并改善血清质量；利用其他细胞（如成骨细胞和肉瘤来源的细胞）的旁分泌促进血管化

5 面向临床生产力的转化

­支架性质（图3）预评估：基于打印技术初步评估支架性质，简化实验验证。支架性质包括：三维结构、连通性、生物物理性质、生化性质

­支架性质（图3）预评估：基于打印技术初步评估支架性质，简化实验验证。支架性质包括：三维结构、连通性、生物物理性质、生化性质

临床转化：新冠肺炎诱发系列血管疾病（紧迫性）。初步临床应用前的支架经历两个流程：支架性质实验验证、种植细胞/载细胞支架的培养（通常需引入培养箱或生物反应器）。生物相容性评价方法：MTT测定，荧光染色，流式细胞术等。特异性评价：荧光染色，ELISA或PCR来评估。所涉及的活/死染色和荧光染色可在光/电子或多光子显微镜下可视化。ELISA法可定量测定血管的CD31和VEGF水平及植入血管支架后的炎症因子（如TNF-α，IL-1β和IL-6）），PCR验证特定基因表达。

临床转化：新冠肺炎诱发系列血管疾病（紧迫性）。初步临床应用前的支架经历两个流程：支架性质实验验证、种植细胞/载细胞支架的培养（通常需引入培养箱或生物反应器）。生物相容性评价方法：MTT测定，荧光染色，流式细胞术等。特异性评价：荧光染色，ELISA或PCR来评估。所涉及的活/死染色和荧光染色可在光/电子或多光子显微镜下可视化。ELISA法可定量测定血管的CD31和VEGF水平及植入血管支架后的炎症因子（如TNF-α，IL-1β和IL-6）），PCR验证特定基因表达。

6 血管再生的支架研究展望

近红外光聚合：改善穿透性、光固化范围及彩色模型的打印，避免紫外光固化对细胞影响

近红外光聚合：改善穿透性、光固化范围及彩色模型的打印，避免紫外光固化对细胞影响

4D打印：涉及血管支架制造与后处理。可能是高精度支架制备的一个解决方案

4D打印：涉及血管支架制造与后处理。可能是高精度支架制备的一个解决方案

细胞自组装与3D打印：自组装在微纳尺度范围内调控细胞。一个研究方向是细胞作为支撑材料的悬浮打印

细胞自组装与3D打印：自组装在微纳尺度范围内调控细胞。一个研究方向是细胞作为支撑材料的悬浮打印

图3 支架性质评估

相关论文：“3D printing of tissue engineering scaffolds: a focus on vascular regeneration”已在Bio-Design and Manufacturing期刊在线刊登。哈尔滨工业大学机电学院王鹏举博士生为第一作者，孙雅洲教授为第二作者，刘海涛副教授为通讯作者。

论文链接（点击获取PDF）：

Bio-Design and Manufacturing（中文名《生物设计与制造》，简称BDM， 浙江大学主办的专业英文季刊，2018年新创，目前已被SCI-E等检索，最新影响因子为4.095。

初审迅速初审快速退稿（3-4天），不影响作者投其它期刊

审稿速度快过去两年，平均录用时间约40天，平均退稿时间约10天。 注意是平均（非最快的有多快，对个体无意义）。录用后可立即在Springer上线，一般于两周内被SCI-E检索

收稿方向机械工程（3D打印及生物处理工程等）、生物墨水与配方、组织与器官工程、医学与诊断装置、生物产品设计

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