螺旋式生物3D打印制造小尺寸血管结构

供稿人:赵廷泽 连芩
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室

心血管疾病，如冠状动脉疾病、外周动脉疾病等被认为是全球第一大的死亡原因。临床中，通常首选自体动脉或者静脉血管移植，以治疗这类疾病。其中胸内动脉、桡动脉和隐静脉是最常用的自体移植物，这也是血管移植的金标准。然而使用隐静脉移植后的血管能够通畅的概率却很低，其失败率约为50%。同时，来自身体的其他部位的血管移植物很少有能够满足移植物所需尺寸与机械性能的需求，若使用这类移植物这也将导致移植手术的失败。基于这些原因，研究人员们开始将目光转向极具潜力的组织工程化血管移植物。

生物3D打印血管结构，因其在可创建定制的自体血管移植物替代物方面具有巨大的潜力，近年来受到越来越多的关注。日前，纽约州立大学Sebastian Freeman等人使用纤维蛋白与明胶材料，通过螺旋式生物3D打印的新型方法，成功制造了人工血管结构。值得注意的是，该人工血管结构通过两个月的体外培养，其机械强度随之增加，且血管结构的爆裂压力达到1110 mmHG，约为人体大隐静脉血压值的52%。

该螺旋式生物3D打印方法使用可横向移动的挤出打印头，将生物墨水沉积在一可轴向旋转的接收轴之上的方法。生物墨水由纤维蛋白、明胶以及人真皮层纤维细胞构成。打印的结构尺寸约为20mm×4.9mm×10.9mm（长度×内径×外径），并使用凝血酶对结构进行交联（图1）。

图1 打印的血管结构与其培养后hematoxylin & eosin (H&E), Verhoeff-Van Gieson (VVG), Gömöri trichome (TC)的染色结果。

在体外培养过程中，研究人员发现所制造的血管结构的长度在长时间体外培养后仅有较小缩短，血管厚度在最初的快速下降后也可以基本保持稳定（图2）。

图2 体外培养过程中血管结构的尺寸

研究人员将制作好的血管结构沿周向剪成条状样品并进行力学测试。记录测试中的力和位移数据，与被测样本尺寸结合，计算出被测样品的力学参数。通过结合Barlow方程，可换算出了血管结构爆裂压力的估计值。该研究为人造血管结构的制造提供了一种可行的方法，同时也为人工血管的性能分析提供了一种可能的手段。

参考文献：
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.