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  作為擠出式生物打印技術(shù)的一種變體，微流控同軸生物打印技術(shù)可以通過多層噴頭同步擠出多種生物墨水、交聯(lián)劑等組分，特別適用于構(gòu)建單層或多層的中空管狀結(jié)構(gòu)，近年被廣泛應(yīng)用于組織工程化人工血管的構(gòu)建研究中。然而，目前同軸生物打印的人工血管尚難以同時具備優(yōu)異的機械性能和仿生功能等特征。在已有的研究基礎(chǔ)（如Advanced Materials, 2018, 30, 1706913）上，哈佛醫(yī)學(xué)院Y. Shrike Zhang教授課題組聯(lián)合麻省理工學(xué)院趙選賀教授課題組設(shè)計了一種基于海藻酸鹽和明膠天然聚合物的高細胞相容性強韌雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠，用于高通量微流控同軸生物打印功能化的單層及雙層中空血管組織，以分別模擬天然靜脈及動脈，實現(xiàn)了解剖結(jié)構(gòu)、機械性能及重要血管功能的仿生。

 圖1. 堅韌天然雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠生物墨水的設(shè)計與機械性能表征

  此雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠通過Ca²⁺物理交聯(lián)的海藻酸鹽形成第一級網(wǎng)絡(luò)，以微生物轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶（mTG）化學(xué)交聯(lián)的明膠 (gelatin)（或明膠甲基丙烯酰（GelMA））形成第二層網(wǎng)絡(luò)，原材料均為天然聚合物，且mTG為FDA批準(zhǔn)的酶，整體生物相容性相比于傳統(tǒng)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠較佳。海藻酸鹽和明膠之間存在強靜電作用，在0.1 s^-1剪切速率下，兩者混合水凝膠溶液的表觀粘度為單組分的40倍。在雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠中，第一級網(wǎng)絡(luò)由致密可逆離子交聯(lián)形成，大幅度提升了水凝膠的剛度與能量耗散的能力；第二級網(wǎng)絡(luò)由酶引發(fā)的稀疏共價交聯(lián)組成，賦予了水凝膠良好的彈性和柔性。因此，該雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠表現(xiàn)出了優(yōu)異的機械性能，相對于單組分水凝膠，它具有更高的強度和可拉伸性。此外，其高效的能量耗散機制和強化的可拉伸性賦予了水凝膠出色的斷裂能（616.3 J·m^-2）。

圖2. 微流控同軸擠出式生物打印中空導(dǎo)管及其機械性能表征

圖3. 微流控同軸擠出式生物打印人工靜脈的結(jié)構(gòu)及生物學(xué)功能表征

  研究者在單層導(dǎo)管管腔內(nèi)和管壁外分別接種薄層的靜脈內(nèi)皮細胞和平滑肌細胞以模擬天然靜脈，內(nèi)皮細胞通過注射器腔內(nèi)推注細胞懸液完成接種；至于平滑肌細胞的接種，研究者則是將打印后的單層導(dǎo)管置于特定的凹陷疏水模具中，使細胞選擇性地貼附在親水性的水凝膠管壁外，最終兩種細胞分別在管壁內(nèi)、外實現(xiàn)了密集的粘附，解決了細胞難以接種于水凝膠管壁的難題，細胞活死實驗表明單層導(dǎo)管的細胞相容性優(yōu)異。免疫蛋白熒光染色證明，內(nèi)皮細胞間存在緊密的細胞間連接以保證內(nèi)皮細胞發(fā)揮相關(guān)功能，并活躍合成層粘連蛋白；平滑肌細胞表達出了致密的α-平滑肌肌動蛋白和微管蛋白，染色結(jié)果證實了人工血管腔內(nèi)功能性內(nèi)皮層和外壁平滑肌層的形成。類似于天然血管，人工血管內(nèi)表面的內(nèi)皮層作為血管屏障，在控制生物分子、營養(yǎng)物質(zhì)和細胞的外滲方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。滲透性實驗表明，含有內(nèi)皮細胞層的人工靜脈有效的延遲了熒光分子的外滲速度，發(fā)揮了內(nèi)皮層的功能。

圖4. 微流控同軸擠出式生物打印人工動脈的結(jié)構(gòu)及生物學(xué)功能表征

圖5. 微流控同軸擠出式生物打印人工動脈的體外、離體及體內(nèi)應(yīng)用

  通過體外、離體及體內(nèi)實驗，該人工血管表現(xiàn)出了作為臨床前體外器官模型和體內(nèi)組織移植物的應(yīng)用潛能。作為體外模型應(yīng)用上，研究者通過SARS-CoV-2偽病毒（pCoV-VP）感染來研究人工血管的直接反應(yīng)，并采用兩種臨床批準(zhǔn)用于COVID-19的抗病毒藥物瑞德西韋 (RMD) 和阿莫地喹 (ADQ) 處理感染后的血管，以觀察抗病毒藥物的有效性。pCoV-VP 感染前的染色表明，接種于人工血管的平滑肌細胞和內(nèi)皮細胞高表達了SARS-CoV-2感染的關(guān)鍵受體—ACE2。病毒處理后實驗表明，人工血管容易受到SARS-CoV-2感染，并且在抗病毒藥物存在的情況下，pCoV-VP 的細胞病變作用降低，細胞活性和代謝活性明顯提高。為了探索該生物打印的人工血管做為組織移植物的潛力，研究者分別進行和離體和體內(nèi)吻合實驗。首先，通過不同管徑的人工血管分別與直徑約1 mm的離體小鼠主動脈和直徑約5 mm的離體人靜脈通過組織膠水進行吻合，并灌注以熒光染料，觀察到染料流通通暢，在吻合口處或血管壁處均未發(fā)現(xiàn)泄漏；其次 ，在活體小鼠中，將人工血管移植至小鼠腔靜脈斷端，打開血管夾后，發(fā)現(xiàn)血流流通通暢無泄漏，因此初步證明了其作為組織移植物的可能性。

  原文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq6900