基于纳米纤维素生物活性墨水的3D打印制作小口径血管及结构性能研究

Construction of artificial small-caliber blood vessel comparable to natural blood vessel is an importantly scientific research issue in the field of tissue engineering. Therefore, in this project, small-caliber blood vessels are prepared by 3D bioprinting using TEMPO-oxidized cellulose nanofibril (TOCN) as bioink and agarose as fugitive ink. Effects of aspect ratio and carboxylate content of TOCN, together with structure of scaffold on the properties of the printed blood vessel will be studied to reveal the relationships between structure and properties of blood scaffold. Influences of TOCN nanonetwork on biological effects such as cell adhesion, proliferation, and information transduction will be clarified. Blood compatibility and antithrombosis will be achieved by control of negative charge of TOCN. Construction of TOCN-GelMA double-layered biomimetic scaffold will be further achieved by 3D printing. Through the growth factor induction, we will shed lights on cell migration and differentiation mechanisms on the composite scaffold. By building of the vascular graft animal model, the repair performance of the blood vessel scaffold will be evaluated in vivo. This project will provide both theoretical and technical supports for the structure design, preparation and clinical application of high-performance artificial small-caliber blood vessel based on nanocellulose.

在组织工程血管领域，如何构建结构性能媲美于天然血管的小口径工程血管是该领域的重要科学问题。本项目拟配制新型纳米纤维素（TOCN）基生物活性墨水，以琼脂糖作为 “逃逸墨水”，利用3D生物打印技术精准构图，构筑小口径功能血管。研究TOCN的长径比、羧基含量、支架的结构对血管性能的影响，揭示血管支架的构效关系。阐明纳米纤维素组成的纳米网络结构对细胞的粘附、增殖、信息传导等生物效应的影响。实现TOCN表面负电荷量对血液相容性及抗血栓效果的有效调控。通过3D生物打印，TOCN与甲基丙烯酸酯明胶（GelMA）复合构建结构功能更近似于天然血管的双层支架材料。利用生长因子诱导，洞悉TOCN-GelMA复合支架中细胞的迁移、分化机制。通过建立动物血管移植模型，在体内水平上评价血管支架材料的修复性能。该项目将为高性能的纳米纤维素基小口径血管支架材料的设计、制备和临床应用提供科学理论和实践基础。

心血管疾病严重威胁人类的生命安全与健康。目前人工合成血管支架材料如涤纶、膨胀聚四氟乙烯和聚氨酯在大直径血管移植中有可靠的临床疗效，但在小直径血管（小于6毫米）移植中容易出现血栓、内膜增生、血管阻塞、远期通畅率低等现象，因此需要寻求适用于小直径血管的有效替代材料。基于纤维素可再生、可生物降解、生物相容性好且来源广泛等特点，本项目利用表面具有丰富羧基的纳米纤维素制备小口径管状凝胶，探讨其在心血管组织工程中的应用。利用离子交联方式制备的纳米纤维素凝胶可以很好地包载细胞且可注射成型，细胞相容性好。深入研究了纳米纤维素表面羧基含量对抗凝血性能的影响，结果显示出纳米纤维素凝胶具有优异的抗凝血性能，且羧基含量增大，抗凝血性能更好，其所制备的管状凝胶具有较好的可缝合性、抗凝血性、优异的通畅率等特点。为了进一步提高纤维素凝胶的力学性能，采用了双交联、与GelMA等材料复合等方式，显著提高了其力学性能，为其作为小口径血管的进一步应用提供了研究基础。此外基于纳米纤维素凝胶优异的抗凝血性能，探究了纳米纤维素基导电复合物在作为心肌贴片中的应用，深入探讨了导电性对心肌修复的影响，进一步拓展了纳米纤维素在生物医用中的应用。这些结果和发现对于纳米纤维素在心血管工程材料中的设计、制备和应用都有重要的理论价值和实际意义。