臨床上，人工血管移植物常被用于替代或修復發(fā)生病變、感染和創(chuàng )傷的血管。血管移植物通常需要具備與真實(shí)血管匹配的尺寸和結構、優(yōu)良的機械性能以確?？p合植入，以及出色的血液相容性從而避免血栓產(chǎn)生。但人體中的血管系統錯綜復雜，包含很多尺寸微小、結構特異復雜的結構如分叉血管、互聯(lián)血管網(wǎng)和瓣膜等結構，這些拓撲結構對于血管功能的實(shí)現至關(guān)重要，而制備能夠復制天然血管復雜結構和功能的血管構建體，以滿(mǎn)足精準醫療和個(gè)性化醫療需求仍然是一個(gè)難點(diǎn)。

為了解決這一問(wèn)題，華南理工大學(xué)施雪濤教授團隊聯(lián)合南方科技大學(xué)劉吉副教授團隊，通過(guò)聚乙烯醇（PVA）基墨水高保真數字光處理（DLP）3D打印水凝膠血管構建體，然后通過(guò)構建納米晶域進(jìn)行機械強化，并結合后續表面改性，制備出了性能理想的水凝膠血管構建體，兼顧便利制備和存儲、優(yōu)異的結構復雜度和保真度、生物安全性、機械適配性以及植入后短期和長(cháng)期下的通暢性。制備出了一系列高復雜度的血管結構，包括分叉血管、小尺寸血管網(wǎng)、功能性肺血管芯片以及含精細瓣膜的靜脈血管移植物（BVVG），其中設計的BVVG在體外展示出優(yōu)異的單向通過(guò)性能，并在植入比格犬體內后顯示出良好的功能性和通暢性，為嚴重深靜脈功能不全疾病的治療提供了解決方案。相關(guān)工作近日以“3D-Printed Hydrogels with Engineered Nanocrystalline Domains as Functional Vascular Constructs"發(fā)表在《ACS Nano》上。

在這項工作中，PVA由于分子鏈結構規則、柔韌，可通過(guò)結晶形成定制水凝膠的力學(xué)性能，此外，其羥基易于官能化修飾，結合其出色的生物安全性和抗血小板黏附性，使其成為制備具有所需性能的血管構建體的理想材料?；瘜W(xué)改性得到PVAGMA水凝膠墨水被用于DLP打印，制備的血管結構使用梯度NaOH溶液浸泡處理以產(chǎn)生納米晶域，使得結構均勻收縮并獲得增強。以此方法可以制備出各種結構復雜的血管構建體，并且通過(guò)后續的表面修飾生物活性物質(zhì)（含有RGD肽的明膠）賦予其體內內皮化潛力，而實(shí)現植入后避免急性血栓形成，并可原位內皮化賦予其長(cháng)期通暢性。

高分子量PVA類(lèi)型和高濃度的墨水被證明可以更大程度的形成結晶，從而獲得更強力學(xué)性能，但是也會(huì )導致高粘度，影響打印成功率和精度。為了獲得最佳的力學(xué)性能和打印分辨率，研究者首先對墨水的配比進(jìn)行了篩選，最終確定使用45 kDa分子量PVA，9 wt%的墨水濃度以及1.0 mg/ml的檸檬黃的墨水配比。隨后，為確定最佳的結晶誘導策略，多種方法被用于處理打印得到的極小曲面結構，其中NaOH溶液處理方法可以同時(shí)獲得大幅的力學(xué)性能提升并且不會(huì )導致結構形變。XRD結果證實(shí)了水凝膠中的納米尺寸結晶域的存在。不同的堿溶液濃度可以獲得不同力學(xué)性能增強效果，而15 wt%的NaOH溶液處理下的水凝膠拉伸強度達到最高的1.05 MPa。水凝膠最佳的性能超過(guò)常見(jiàn)的3D打印水凝膠體系，并且模量與人胸內動(dòng)脈接近。納米結晶域的存在賦予水凝膠優(yōu)異的抗疲勞性能和抗缺口斷裂性能，這對于水凝膠血管的體內縫合植入應用十分有利。由此制備的水凝膠血管展示出優(yōu)異的縫合線(xiàn)保持力，爆破壓和順應性，并且可以支持小分子溶質(zhì)和氣體的擴散，而阻隔大分子蛋白的擴散。

隨后，研究者們使用最佳的制備方法制備出各種結構復雜的血管構建體，包括含有多分叉的主動(dòng)脈弓、主動(dòng)脈瓣膜，以及最小內徑0.75mm的血管網(wǎng)。構建了基于極小曲面結構，含有高接觸面積獨立兩相通道的功能性肺部芯片結構，兩相通道中灌注流體和氧氣可以實(shí)現流體中含氧量的提升。下肢靜脈結構損傷會(huì )導致慢性靜脈功能不全，血液反流嚴重，會(huì )進(jìn)一步誘發(fā)下肢水腫、靜脈曲張、炎癥甚至血栓的發(fā)生，研究者開(kāi)發(fā)了仿生含瓣膜靜脈血管移植物（BVVG），以填補當前相應領(lǐng)域人工血管的空白。數值模擬結果表明BVVG中的瓣膜可以隨著(zhù)流體流動(dòng)方向的改變有效張開(kāi)和閉合。隨后的一系列體外灌注實(shí)驗均證明BVVG中的瓣膜具有優(yōu)異的單向流體通過(guò)性，可有效阻止血液反流。并且，制備的BVVG可以模擬腿部肌肉泵血效應實(shí)現流體輸送。

制備的水凝膠血管結構進(jìn)一步進(jìn)行表面修飾，通過(guò)接枝明膠分子，可以有效提升內皮細胞黏附并且保持低血小板黏附和溶血率。兔頸動(dòng)-靜脈灌流實(shí)驗顯示水凝膠血管在體內短期內具有較低的致血栓性。細胞實(shí)驗和皮下實(shí)現證明水凝膠血管具有優(yōu)異的生物安全性。

為驗證制備的水凝膠血管的體內應用前景，選擇BVVG在比格犬體內深靜脈處進(jìn)行植入，以驗證BVVG在替代病變深靜脈上的潛力。確定目標部位血管尺寸后，制備尺寸相仿的BVVG通過(guò)縫合植入到深靜脈中，然后再植入后分別于血管下方和上方注射造影劑進(jìn)行順行和逆行靜脈造影。造影結果顯示出植入血管后造影劑可以順向通暢流過(guò)，而逆向則被瓣膜阻止，表明BVVG在體內應用環(huán)境下保持有效的單向通過(guò)性。隨后的B超和免疫熒光結果表明，BVVG在植入一個(gè)月后保持通暢并且具有內皮化趨勢，具有長(cháng)期通暢性潛力。

小結：這項工作通過(guò)三維打印結合結晶后處理來(lái)制備性能優(yōu)異的水凝膠基血管構建體，制備的血管構建體充分復制了體內血管的復雜結構和功能，特別的，含瓣膜靜脈血管移植物在體外和體內展示出色的單向通過(guò)性能，有望應用于嚴重的深靜脈疾病治療?？傊?，開(kāi)發(fā)的3D打印水凝膠體系在臨床個(gè)性化血管移植和血管化器官構建研究中大有可為，為創(chuàng )造各種人工組織和器官植入提供了潛在的拓展空間。文章第一作者為華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院施雪濤教授課題組博士生葉潭，南方醫科大學(xué)柴牧原、華南理工大學(xué)王振興、南方醫科大學(xué)邵婷如為本文共同第一作者。