研究背景

心血管系統(tǒng)是所有脊椎動(dòng)物發(fā)育的關(guān)鍵，負(fù)責(zé)為組織和器官輸送氧氣與營(yíng)養(yǎng)，并清除代謝廢物。然而，構(gòu)建具有可灌注流體網(wǎng)絡(luò)的組織工程支架一直是生物工程領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)組織工程支架存在局限性，要么厚度受限于被動(dòng)營(yíng)養(yǎng)擴(kuò)散（約200μm），要么較大結(jié)構(gòu)因缺氧形成壞死核心。微流控芯片和器官芯片系統(tǒng)雖在模擬血管流動(dòng)和生物過(guò)程方面發(fā)揮了作用，但制造材料多為塑料和彈性體（如聚二甲基硅氧烷），存在機(jī)械性能與天然組織差異大、可能吸附脂溶性生物分子、制造需光刻技術(shù)和潔凈室、無(wú)法被細(xì)胞重塑等問(wèn)題。

水凝膠基材料構(gòu)建可灌注支架被認(rèn)為是解決這些挑戰(zhàn)的有效途徑，但現(xiàn)有技術(shù)在3D空間中圖案化細(xì)胞、水凝膠、細(xì)胞外基質(zhì)等成分方面仍存在不足，限制了模型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和功能。

研究?jī)?nèi)容

核心技術(shù)平臺(tái)構(gòu)建

• CHIPS制備：利用懸浮水凝膠自由可逆嵌入（FRESH）3D生物打印技術(shù)，將膠原蛋白水凝膠、細(xì)胞外基質(zhì)和細(xì)胞直接打印成基于膠原蛋白的高分辨率內(nèi)部可灌注支架（CHIPS）。打印過(guò)程中，生物材料被直接擠壓到由明膠微粒漿料組成的熱可逆支撐浴中，支撐浴通過(guò)賓漢塑性流變學(xué)特性固定生物墨水細(xì)絲，并觸發(fā)其快速凝膠化。打印完成后，將溫度升至37°C熔化明膠，即可無(wú)損取出支架。
• VAPOR生物反應(yīng)器開發(fā)：為解決柔軟膠原蛋白支架的灌注問(wèn)題，設(shè)計(jì)了血管系統(tǒng)和灌注器官芯片反應(yīng)器（VAPOR）。該反應(yīng)器由生物相容性樹脂3D打印的主體（含魯爾鎖連接配件和內(nèi)部流體通道）和帶硅膠墊片與玻璃成像窗口的可拆卸蓋子組成，還包含類淋巴流體路徑，可緩解組裝時(shí)的壓力峰值、提供旁路流道并實(shí)現(xiàn)間質(zhì)液再循環(huán)。

技術(shù)性能驗(yàn)證

• 打印精度評(píng)估：通過(guò)光學(xué)相干斷層掃描（OCT）和3D測(cè)量，驗(yàn)證了蛇形、三通道和堆疊通道等多種CHIPS設(shè)計(jì)的打印精度。結(jié)果顯示，打印誤差均小于20μm，接近OCT系統(tǒng)的成像分辨率極限（XY方向16μm體素）和生物打印機(jī)的機(jī)械性能（±8μm）。
• 灌注功能測(cè)試：在VAPOR生物反應(yīng)器中對(duì)CHIPS進(jìn)行灌注測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了層流和脈動(dòng)流灌注，驗(yàn)證了支架的流體混合能力和通道完整性。同時(shí)，證明CHIPS可支持100-1000μl/min的流速，產(chǎn)生的壁面剪切應(yīng)力在大靜脈和小動(dòng)脈的生理范圍內(nèi)（1-10dyne/cm2）。
• 分子擴(kuò)散特性研究：利用不同分子量（3-70kDa）的熒光素異硫氰酸酯（FITC）標(biāo)記葡聚糖，研究了分子在無(wú)細(xì)胞CHIPS中的擴(kuò)散特性。結(jié)果表明，擴(kuò)散具有分子量依賴性，且施加5-10mmHg的壓力差可促進(jìn)大分子擴(kuò)散。

多功能應(yīng)用驗(yàn)證

• 多材料打印與ECM圖案化：開發(fā)了高性能多材料3D生物打印機(jī)，實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞外基質(zhì)成分、生長(zhǎng)因子和材料剛度的精確空間圖案化。成功打印出含熒光標(biāo)記纖連蛋白的膠原蛋白層、垂直線條和分支網(wǎng)絡(luò)，以及剛度梯度（6、12、23mg/ml）的膠原蛋白結(jié)構(gòu)。
• 多細(xì)胞CHIPS構(gòu)建：將人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）和人間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）融入纖維蛋白原生物墨水中，通過(guò)多材料打印構(gòu)建血管化CHIPS。靜態(tài)培養(yǎng)8天后，觀察到血管內(nèi)皮鈣黏蛋白（VE-Cad）陽(yáng)性的毛細(xì)血管樣網(wǎng)絡(luò)形成；灌注培養(yǎng)進(jìn)一步促進(jìn)了內(nèi)皮細(xì)胞特異性蛋白表達(dá)和血管樣形態(tài)形成。
• 胰腺樣CHIPS開發(fā)：將小鼠MIN6細(xì)胞（具有β細(xì)胞樣胰島素分泌功能）與HUVECs、MSCs結(jié)合，制備胰腺樣生物墨水，打印成胰腺樣CHIPS。該支架在靜態(tài)培養(yǎng)8天后保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，MIN6細(xì)胞表達(dá)胰島素，HUVECs形成毛細(xì)血管樣網(wǎng)絡(luò)；灌注培養(yǎng)12天后，葡萄糖刺激胰島素分泌的刺激指數(shù)達(dá)到4.6，接近原代胰島水平（刺激指數(shù)約10）。

研究結(jié)論

• 成功構(gòu)建了基于FRESH 3D生物打印的CHIPS和VAPOR集成平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了高分辨率、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的可灌注生物支架制備和動(dòng)態(tài)培養(yǎng)。
• 該平臺(tái)具有出色的3D空間圖案化能力，可精確控制細(xì)胞外基質(zhì)組成、細(xì)胞分布和材料性能，支持毛細(xì)血管樣網(wǎng)絡(luò)形成和特定組織功能實(shí)現(xiàn)（如葡萄糖響應(yīng)性胰島素分泌）。
• 與傳統(tǒng)微流控技術(shù)相比，CHIPS和VAPOR平臺(tái)具有材料生物相容性好、制造靈活、可直接細(xì)胞化等優(yōu)勢(shì)，為器官芯片系統(tǒng)、疾病建模和細(xì)胞替代療法提供了新的技術(shù)途徑。
• 雖然目前最小可灌注通道直徑約為100μm，存在一定局限性，但通過(guò)優(yōu)化支撐浴中明膠微粒尺寸等參數(shù)，有望進(jìn)一步提升分辨率。同時(shí)，該技術(shù)具有良好的可及性，可通過(guò)商業(yè)3D生物打印機(jī)或改造的桌面3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)。