《Biofabrication》：生物3D打印和血管化策略之间的协同耦合

来源： EngineeringForLife

三维（3D）生物打印为生物制造中血管化的复杂挑战提供了很有前途的解决方案，从而提高了工程组织和器官的临床转化前景。虽然现有的综述涉及了血管化组织环境中的3D生物打印，但来自美国宾夕法尼亚州立大学的Ibrahim T Ozbolat及其团队综述了一个更全面的视角，包括最新的技术进步，并跨越整个多阶段生物打印过程，特别强调血管化。3D生物打印和血管化策略之间的协同作用至关重要，因为3D生物打印可以创建个性化、组织特异性的血管网络，而血管化可以提高组织活力和功能。本综述首先提供整个生物打印过程的全面概述，从生物打印前阶段到打印后处理，包括灌注和成熟。接下来讨论了可以与生物打印无缝集成的血管化策略的最新进展。还讨论了组织特异性的例子，说明这些血管化方法如何为不同的解剖组织定制，以提高临床相关性。最后强调了未充分探索的术中生物打印（IOB），它可以直接重建缺损部位的组织，强调IOB与血管化策略结合再生可能形成的协同作用。

相关综述内容以“Synergistic coupling between 3D bioprinting and vascularization strategies”为题于2023年11月20日发表在《Biofabrication》。

图1 整个生物打印过程

目前，磁共振成像（MRI）、计算机断层扫描（CT）、超声成像（USG）等各种成像方式（即光学相干断层扫描（OCT）、血管造影等）被用于获取组织和器官的3D解剖（图1a）。对于生物打印，目前的工艺方式包括基于液滴的生物打印（DBB）、基于激光的生物打印（LBB）、基于挤压的生物打印（EBB）和基于光技术（图1b）。在对组织和器官替代品进行生物打印后，生物打印后的阶段对在合适的生物反应器中区分干细胞和成熟生物打印替代品起着至关重要的作用，这是一个高度依赖时间的过程，须在严格控制的条件下进行（图1c）。

图2 生物打印血管结构中的血管生成因子

在一项研究中报道了一种双重生长因子使骨组织血管化的方法。将具有成骨和血管生成潜能的人牙髓干细胞的骨形态发生蛋白-2（BMP-2）和容易缺氧的中央区VEGF对人牙髓干细胞进行生物打印（图2a）。与非血管化组织相比，预血管化结构显示出更快的骨修复。内皮细胞特异性microRNA-126（miR-126）通过抑制相反的信号转导通路调节因子促进血管生成因子，如VEGF或FGF。利用miRNA共分化进行3D异型血管化前骨形成，通过使用转染miR-148b和miR-210的ADSCs球状体制作双态结构，并显示它们的成骨和内皮分化、矿化和骨形成潜能（图2b）。

图3 直接生物打印的血管组织制造

直接生物打印方法利用细胞封装的生物墨水积极主动生物打印空心血管结构。因此更倾向于混合不同的材料，以优化机械强度和生物活性之间的适当平衡。人微血管内皮细胞和纤维蛋白被生物打印在一起，这些细胞最终自行排列并在通道内增殖（图3a）。有一项研究将HUVSMCs封装在海藻酸钠中，并使用同轴喷嘴以血管导管的形式进行生物打印，细胞在管腔表面及其周围显示出胶原蛋白和平滑肌基质沉积生长（图3b）。

图4 间接生物打印用于血管化组织制造

间接生物打印利用牺牲墨水，首先沉积在水凝胶基质中，然后移除以形成类似中空容器的结构。这些血管可以被内皮细胞和平滑肌细胞填充。为了实现组织构建的有效血管化技术，有研究报道一种使用3D打印琼脂糖模板纤维的方法，该方法随后被移除，以在GelMA内创建可灌注网络（图4a）。此外另有研究了几种水凝胶，包括PEGDA、纤维蛋白-纤维蛋白原-凝血酶和海藻酸盐，并在可灌注通道内形成不同的血管结构（图4b）。

图5 可以与生物打印的组织和器官替代品相结合的其他血管化策略

将复杂的层次血管网络纳入生物打印组织结构对氧合具有重要意义。为了实现中尺度和微尺度血管网络的结合，在ECM上生物打印自组装微血管，然后将其连接到更大的植入管状血管支架内部（图5a）。最近有研究报道一种新显微外科技术能够创建血管化、更厚、临床可转化的组织结构（图5b）。

图6 生物打印的血管化组织研究

一些异体多层皮肤移植已被用于受损的非愈合皮肤伤口，但由于缺乏对与宿主组织整合至关重要的复杂皮肤微血管系统，这种皮肤移植随着时间的推移而失败。一项研究表明，Zn2SiO4（ZS）纳米颗粒支持血管化、受神经支配的皮肤再生（图6a）。骨骼肌是一种动态、异质和神经支配的组织，由高度分化的肌纤维束组成。通过使用人类初级肌肉祖细胞装载水凝胶生物胶、牺牲的非细胞明胶和支持的PCL框架制作3D可植入肌肉结构（图6b）。在过去的几十年里，对患者特异性骨移植来修复骨缺损的需求非常大。最近有研究报道利用人脂肪来源的间充质干细胞（ASCs）和HUVECs开发了长方体状、前血管化的骨组织结构（图6c）。目前，心肌梗死和先天性心脏病是世界范围内的主要死亡原因。有研究利用诱导多能干细胞衍生的类器官进行生物打印的心脏组织构建（图6d）。肝脏是人体中最大的腺体，在代谢、解毒、胆汁的产生和电解质和水的调节等方面起着至关重要的作用。有研究提出了一种通过包括EBB、聚二甲基硅氧烷（PDMS）封装、灌注和移植在内的混合系统制造的血管化肝平台（图6e）。总之，生物打印领域的进步使肌肉骨骼和代谢上高活性的功能组织和器官的制造成为可能。

图7 IOB：生物打印临床转化

IOB是指在手术环境中对活体受试者进行生物打印的过程，以精确和准确的解剖方式促进生物制剂沉积到缺陷部位（图7a）。IOB被用于各种组织重建。例如使用IOB广泛沉积胶原蛋白，有组织的血管网络和增殖角质形成细胞来替代伤口（图7b）。有研究使用装载人ASCs和HUVECs的胶原生物墨水来治疗体积肌肉丧失（VML）（图7c）。一项基于数字近红外光聚合的技术能够在体内无创制造组织结构，该技术包括将皮下注射生物墨水注射到定制组织结构中，使用调制模式数字近红外光的体外辐射（图7d）。使用具有全层皮肤伤口的猪模型进一步证明相同的手持式生物打印机概念（图7e）。

在过去的十年里，生物打印领域的进步显著扩展其在再生医学中的应用。虽然之前已用生物打印构建一些组织移植物，但缺乏血管相互连接和血液供应。因而未能充分转化。本文综述了生物打印及其在血管化背景下的基本步骤，并强调了最近在血管化组织和器官替代品的生物打印方面取得的进展和成就。尽管取得了相当大的进展，但在寻找血管生成生物墨水和优化干细胞来源的内皮细胞方面仍存在挑战。此外，涉及解剖学相关的大型动物模型的全面转化研究是必要的。通过严格的测试、验证和调控过程克服这些障碍，生物打印的组织和器官有望成为推进再生医学和未来临床应用的宝贵资产。

文章来源：https://doi.org/10.1088/1758-5090/ad0b3f