宏微跨尺度血管结构三维细胞打印的制造新方法及基础技术研究

This research develops a novel fabrication technology of artificial blood vessel structure, which is based on the macro-micro multi-scale 3D printing. The hydrogel hollow fiber is formed by control the cross-linking process during fiber spinning, thus, the hollow fiber can be the channel for nutrient, leading to better cell growth. In order to improve printing accuracy, the study focuses on the cross-linking and deformation mechanism of cell laden hydrogel, and the cell damage mechanism by process-induced shear stress. Moreover, the influence of shear stress and radial pressure on the target effect of ion channel on endothelial cells and smooth muscle cells is investigated for improving the functionality of blood vessel network during organ printing. The study can help understanding the mechanism of blood vessel degradation induced by bio-chemical and mechanical factors. Also, the artificial blood vessel network can be further applied for the investigation of target drugs for cardiovascular disease.

项目提出了一种原创性的宏微跨尺度的血管结构三维打印新方法，将中空凝胶纤维围绕回转体模版打印，通过交联时序的控制实现凝胶纤维的彼此粘附，去除回转体模板后，形成宏观血管流道。中空凝胶纤维内的微流道构成微观尺度的营养通道，避免后续的血管灌注时细胞的发育不良。通过研究生物墨水打印过程中的融合机理、打印中柔性变形及补偿方法、剪切诱导下的细胞损伤机制解决血管3D打印中的控形控性难题；通过构建血管内皮细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞灌注及动态加载环境，研讨三维环境下血管的轴向剪切及径向扩张力对内皮及平滑肌细胞机械离子通道的靶向作用机制，进而更为有效逼真地制造出生物器官宏微跨尺度的血管结构。项目的实施将有力推动血管在生物化学及机械作用下的性能退化诱发机理的研究，项目成果可为心血管疾病的靶向药物研发提供基础技术和实验手段，并有效促进和开拓生物制造医学应用的新领域。

心血管疾病作为一种典型的慢性疾病，其作用机制复杂，因而深入研讨血管性能退化诱发机理，可为心血管疾病的靶向药物研发提供指导。项目围绕血管生物3D打印开展如下特色工作：（1）提出了宏微尺度血管结构三维打印新方法。通过微管道模拟真实血管的毛细滋养层，用于营养输送和化学加载，宏观通道用于物理加载。首次在体外构建了含内皮、平滑肌、成纤维三层细胞的血管结构，实现了仿生真实血管结构的构建，相关工作被国际同行做为血管体外构建的代表工作广泛引用（100次）；（2）发明组织/血管一体化制造新工艺。设计了核/壳生物墨水体系，同轴喷头将载组织细胞墨水(外喷头)和载内皮细胞牺牲墨水(内喷头)同时挤出，实现了血管化大块组织结构（≥1cm）的打印，突破了体外长时间培养（≥20days），并成功将其应用于血管化的肿瘤模型制造。（3）制定了生物墨水可打印性研究规范，实现了软湿脆水凝胶复杂结构的可控制造。系统探究了生物墨水打印过程中的融合机理、打印中柔性变形及补偿方法、剪切诱导下的细胞损伤行为，实现了血管的高活性打印；（4）发明了血管剪切力加载系统及多培养腔联立的流体剪切力定向加载装置。构建了心室的时变弹性模型、动脉及静脉的集中参数弹性腔模型实现与真实生理状况一致的加载系统。通过多培养腔联立的流体剪切力定向加载装置，实现力诱导细胞可控分化，研发了微流控流体剪切的血管功能化培养系统。（5）体外重建了血管典型疾病环境，对体内血管系统中常见的血管形态进行了有效模拟。通过对包括不同尺度、多级分叉、螺旋状动脉、血管狭窄等现象的体外重建及病理探究，揭示了动脉粥样硬化机制、探讨了血管疾病的发病机理。项目成果可为心血管疾病的靶向药物研发提供新的基础技术和实验手段，促进和开拓生物制造医学应用的新领域。