作者：Ya-Chen Hou1,2,3, Xiaolin Cui4, Zhen Qin1,2,3, Chang Su1,2,3, Ge Zhang1,2,3, Jun-Nan Tang1,2,3*, Jing-An Li5*, Jin-Ying Zhang1,2,3*
机构：
1 郑州大学第一附属医院，心血管内科
2 河南省心脏损伤修复重点实验室
3 河南省心血管疾病临床医学研究中心
4 香港中文大学，医学院
5 郑州大学，材料科学与工程学院，先进镁合金重点实验室，材料成型及模具技术教育部重点实验室
本文综述了3D生物打印人工血管的最新进展，重点关注生物墨水的特性、交联方法及血管性能要求。
讨论了天然聚合物（如脱细胞细胞外基质、透明质酸和胶原蛋白）以及合成聚合物（如Pluronic F127和海藻酸盐）在生物墨水中的应用。
提供了对3D生物打印技术（包括挤出、喷墨、光固化成型和FRESH）在血管构建中的适用性和局限性的深入分析。
提出了未来研究方向，包括开发新型复合水凝胶以提高机械性能和生物相容性，以及改进3D生物打印技术以实现更高的打印精度和细胞活性。
研究背景
心血管疾病是全球主要致死疾病。冠状动脉旁路移植术通过血管移植物绕过阻塞部位恢复血液供应，但自体血管有限，难以满足需求。目前，聚四氟乙烯（PTFE）和聚酯纤维（PET）等人工血管因血液相容性差，易致血栓和再狭窄，且质地僵硬，难以模拟天然血管的柔软性和生物活性。为此，组织工程血管成为研究重点。三维（3D）生物打印技术可精准制造符合天然血管功能的人工血管，而生物墨水性能直接决定打印效果。理想生物墨水需兼具生物相容性、机械强度和结构稳定性，支持细胞增殖和分化。本文综述了3D生物打印技术在人工血管制备中的应用，重点探讨生物墨水特性、交联方法及水凝胶的优势与挑战。
研究进展
1.水凝胶性能要求
物理性能：人工血管需模拟天然血管的机械性能，如爆破压力、拉伸强度和顺应性。ISO 7198:2016标准为血管移植物的机械性能提供了指导。
水凝胶特性：生物墨水需具备剪切稀化、屈服应力和适当的粘度，以适应打印过程并保持结构完整性。细胞的存在会影响水凝胶的流变性能和成形能力。
成形要求：血管结构需足够坚固以承受血液动力压力，同时保持细胞活性和功能。水凝胶的刚度对细胞行为有显著影响。
2.生物墨水研究
支撑水凝胶：
1.合成水凝胶：如PEG，通过化学改性（如PEGDMA和PEGTA）提高性能，但存在生物惰性问题。
2.天然水凝胶：HA、胶原蛋白和明胶等天然聚合物具有良好的生物相容性和生物活性，但机械性能较弱。通过交联和复合改性可增强其性能。
3.脱细胞细胞外基质（dECM）：具有仿生特性，但存在制备复杂和成本高的问题。
4.DNA材料：DNA水凝胶具有高机械强度和生物相容性，但成本较高。
5.其他水凝胶：纤维蛋白、琼脂糖和纳米纤维素在特定应用中具有优势。
牺牲水凝胶：
1.Pluronic F-127：生物惰性，易于打印，适用于形成中空结构。
2.海藻酸盐：离子交联快速，但缺乏孔隙性和生物活性，需化学改性以提高性能。
3.3D生物打印技术
挤出式打印：常用方法，但存在细胞损伤和分辨率低的问题。
喷墨式打印：非接触式方法，适用于原位打印，但对生物墨水粘度有严格要求。
光固化成型：高分辨率，但对血管直径有限制。
FRESH：利用热可逆支撑浴，适用于复杂结构打印。
图 1. (A) 过去 20 年该领域的论文（改编自参考文献[23]，经授权许可）；(B) 过去 10 年该领域的专利申请情况，数据来自专利局数据库。
图 2. (A) 机械因素的转导与干细胞命运的调控[60]。(B) 热凝胶点以下物理和化学凝胶化的差异以及细胞形态随水凝胶硬度变化的情况（改编自参考文献[61]，经授权许可）。
图 3.（A）显示聚（乙二醇）- 二硫苏糖醇（PEGDTT）和纳米硅酸盐在交联前后的相互作用的示意图。插图显示了 PEGDTT/nSi 生物墨水的可打印性。（B）通过料筒、针头和打印床进行打印过程的示意图。（C）纳米颗粒诱导 PEGDTT 降解的假设机制（改编自参考文献[74]，经授权许可）。
图 4. (A) [90] 文献中报道的研究中使用的聚合物主链和光交联侧基。二硫苏糖醇在逐步生长机制中用作交联剂。(B) 可定制 HAMA/海藻酸盐基微管制备示意图 （改编自参考文献[93]，经授权许可）。
图 5. 主客体水凝胶的形成实现了剪切稀化注射和水凝胶保留（改编自参考文献[99]，经授权许可）。
图 6. GelMA/gelatin生物墨水的两步交联（改编自参考文献[122]，经授权许可）。
图7. 采用可见光交联技术制备载有细胞的3D生物打印支架示意图[134]。
图8.（A）蛋白 - DNA 混合水凝胶的合成（改编自参考文献[146]，经授权许可）。（B）聚肽 - DNA 水凝胶的 3D 生物打印以制造任意设计的 3D 结构。（C）使用两种组分制备聚肽 - DNA 水凝胶（图 8B 和 8C改编自参考文献[147]，经授权许可）。
图9. (A) 三层（3D）动静脉结构（内膜中膜和外膜）制造过程示意图[66]。(B) 多层分叉组织工程血管移植物的弯曲结构制造过程的分步示意图[165]。
图10.（A）具有多尺度流体通道的 3D 海藻酸盐容器结构制造过程（改编自参考文献[174]，经授权许可）。（B）Mitch-Alginate 生物墨水在打印过程各阶段的优势示意图（改编自参考文献[178]，经授权许可）。
图 11. (A) 悬浮水凝胶自由形态可逆嵌入 (FRESH) 工艺示意图，显示水凝胶（绿色）在明胶浆支撑槽（黄色）内被挤出并交联。(B) 将 3D 磁共振成像获取的人体右冠状动脉树剖面模型按全尺寸处理成用于 FRESH 打印的机器代码[196]。
未来方向
3D生物打印在人工血管制造领域展现出巨大潜力，但距临床应用仍面临诸多挑战。首先，生物墨水的开发需进一步优化，尤其是提高其机械性能和生物相容性。目前，尽管多种水凝胶已用于生物打印，但理想的生物墨水还需兼顾细胞活性和打印精度。其次，3D打印技术自身的改进不容忽视，例如提升打印速度、分辨率及细胞存活率，同时开发更快速的交联方法以适应临床原位打印需求。再者，血管的体内功能化至关重要，需增强其生物活性，如促进内皮化、防止血栓形成等，以确保长期稳定的功能。最后，在临床转化方面，需攻克监管审批难关，简化流程并降低成本，推动3D生物打印血管从实验室走向临床，为心血管疾病患者带来更精准、有效的治疗选择，未来的研究将聚焦于这些关键问题，以加速3D生物打印血管的临床应用进程。
通讯作者
唐俊楠 教授
郑州大学第一附属医院
主任医师、二级教授、博士生导师，郑州大学第一附属医院心血管内科医学部副主任、心内九病区主任。全国卫生健康系统先进工作者、国家优青、中国研究型医院研究型人才、河南省高层次人才、河南省政府特殊津贴专家、河南省青年科技奖获得者、中原医疗卫生领军人才、中原青年拔尖人才、河南省教育厅学术技术带头人、河南省卫生健康系统十大杰出青年。主持并参与十余项国家级、省厅级科研项目。研究成果授权国家发明专利及软件著作权18项、编写论著3部、荣获省部级成果奖一等奖1项、二等奖1项、河南医学科技奖一等奖1项。主持国家自然科学基金-优秀青年项目、面上项目、河南省重点研发专项、河南省优青（A类结题）等项目15项，在心脏损伤修复与人工智能领域取得突破性进展，以第一/共同第一、通讯/共同通讯等在Nature Communications、Nature Chemical Biology、Bioactive Materials、ACS Nano等期刊发表论文50余篇，授权国家发明专利及软件著作权13项，高危ASCVD患者早筛专利实现成果转化，撰写《关心入微》等学术和科普论著3部。
李敬安 教授
郑州大学
郑州大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，中国生物材料学会心血管材料分会常务委员 (第三届，2023~2027)、中国生物医学工程学会介入医学工程分会委员/秘书长/党建联系人 (第五届，2023~2027)、中国生物医学工程学会第十一届理事会青年工作委员会委员、新质力材料发展联盟常务理事 (2024~2027)。先后受邀担任 Discover Applied Sciences 副主编、Military Medical Research科学编辑、及多部学术期刊编委，先后受邀担任 Advanced Materials 等百余部SCI期刊审稿人。以第一/通讯作者在 Bioactive Materials、Journal of Magnesium and Alloys 等领域内权威期刊发表百余篇学术论文，其中多篇入选ESI高被引或热点论文。
张金盈 教授
郑州大学第一附属医院
主任医师、国家二级教授、国家级知名专家，中原学者，国家特殊津贴专家，中原千人，河南省高层次（C类）人才、青年科技领军人物、医学博士、博士后，博士生/硕士生导师、博士后合作导师，现任郑州大学第一附属医院心血管内科主任。国家自然科学基金面上项目和青年项目评审专家，国家科技部重点研发计划一审和二审专家，教育部博士学位毕业论文评审专家，河南省科技项目和科技进步奖评审专家，河南省卫生系列高级技术职称评审委员会委员，郑州大学高级职称评审委员会委员，《临床心血管病杂志》编委，《郑州大学学报（医学版）》编委，《河南医学研究》编委，Chinese Medicine Journal及多家国际杂志特约审稿专家。发表论文百余篇(SCI收录93篇)，通讯作者（含共通）在European Heart Journal、Nature Reviews Cardiology、Nature Communications、ACS Nano、Biomaterials和Arterioscler Thromb Vasc Biol等国际顶级杂志文章多篇。主编《急性心肌梗死现代治疗策略》著作6部。主持国家心脑疑难病症诊治能力提升工程、国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金委员会-河南联合基金项目、中国博士后科学基金、河南省科技创新计划杰出青年/杰出人才、河南省高校科技创新团队以及校院联合培育基金博士团队专项资助等项目；获得河南省科学技术进步奖一等奖1项，二等奖5项，三等奖3项，自然科学奖二等奖1项、实用新型专利5项。
文章链接：
https://doi.org/10.18063/ijb.740
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