東華大學在3D打印領域再獲突破：3D打印構建仿生血管網絡，促進組織再生

來源：東華大學材料科學與工程學院

近日，東華大學纖維材料改性重點國家實驗室 游正偉教授團隊 在 3D 打印和再生醫(yī)學領域取得重要進展， 相關成果以《面向組織再生的 3D 打印仿生血管網絡》 ( 3D printing of biomimetic vasculature for tissue regeneration) 為題，發(fā)表于材料學領域著名期刊 《 Materials Horizons 》。

組織細胞都高度依賴分支化血管系統，為細胞提供良好的物質交換以維持細胞生長的良好環(huán)境。而大多數組織工程構建的組織都不具有理想的微血管網絡，當中高密度細胞無法得到充分的物質交換且快速形成壞死中心。 因此，如何構造出包含仿生天然血管網絡的工程組織，并且能在體內外維持長時間的生存是組織再生領域中一大公認的難點與挑戰(zhàn)。 現有的仿生血管網的構建主要集中在如何構建二維微通道結構，在三維大塊結構以及更加微觀模擬血管壁滲透性方面研究較少，同時報道的方法一般只適用于特定的材料。

針對上述關鍵問題，游正偉教授團隊發(fā)展了 基于 3D 打印技術的新策略，實現了血管網絡的仿生構筑 。提出了從宏觀個性化脈絡結構、可灌注通道網絡、滲透性管壁三個層次對血管網絡進行多級結構仿生的概念。據該工作第一作者東華大學博士生雷東介紹說，該工作是從中國傳統手工藝 “ 糖畫 ” 中獲得靈感，將市售蔗糖作為單一原料，巧妙地利用 3D 打印機對其加熱進行預焦糖化，現場制備具有良好打印性的墨水，然后 3D “作畫”，實現了糖模板的一鍋法 3D 打印定制。然后通過相分離機制和犧牲模板策略相結合，高效構筑了整體相互連通可灌注的聚合物基血管網絡，管壁上具有梯度分布的微孔結構，從而賦予其仿血管壁的滲透性。該方法具有良好的普適性，適用于熱塑和熱固性等多種材料，同時能夠很好地和各種組織工程支架比如海綿狀多孔支架、水凝膠、靜電紡納米纖維支架、細菌纖維素等結合制備含有內嵌仿生血管網絡的復合支架。

可灌注性仿生血管網絡
進而游正偉教授團隊和上海交通大學附屬瑞金醫(yī)院的趙強教授和葉曉峰副教授再次合作，證實該仿生血管網絡復合支架在體外可維持高濃度細胞存活，體內可以促進血管和組織新生；進一步用于治療大鼠心肌梗塞，顯著改善了心肌局部缺血，有效防止了心肌纖維化。該支架具有良好的生物相容性和可降解性，能夠根據個體需求 3D 打印定制，未來還可以與藥物和干細胞復合，實現藥物緩釋和干細胞遞送，為組織缺損再生修復等提供精準醫(yī)療新 方案。同時可以構建體外 3D 組織模型，用于藥物篩選。另外在微流控等領域也有潛在的應用前景。

游正偉教授團隊近年來專注生物彈性體材料及其 3D 打印的研究，去年的報道以“鹽”為核心的“咸墨水”打印，成功實現了熱固性材料 3D 打印 [1] ，并以生物彈性體為代表，實現了組織工程支架 [2] 和可穿戴摩擦納米發(fā)電機 [3] 的個性化定制。此次， 該團隊以“糖”為核心，用“甜墨水”實現了仿生血管網絡的構建。果然是 “ 不會做飯的材料學科研者不是好醫(yī)生??！ ”

東華大學博士生雷東是該論文的第一作者，東華大學游正偉教授、上海交通大學醫(yī)學院附屬瑞金醫(yī)院趙強教授、葉曉峰副教授是該論文的共同通訊作者。東華大學的莫秀梅教授、何創(chuàng)龍教授、陳仕艷教授、天津大學劉文廣教授、上海大學朱波教授是論文的共同作者。該工作獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、上海市自然科學基金的資助。