研究背景

血管對于營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣的輸送和廢物的清除至關(guān)重要。具有功能性血管網(wǎng)絡(luò)的骨修復(fù)材料被廣泛應(yīng)用于骨組織工程中。增材制造是一種將物質(zhì)逐層堆疊生成三維固體的制造技術(shù)，主要包括但不限于3D打印，也包括4D打印、5D打印和6D打印。它可以通過精確調(diào)整智能血管的力學結(jié)構(gòu)和生物學特性，實現(xiàn)血管化來滿足組織的需要。

Intelligent Vascularized 3D/4D/5D/6D?Printed Tissue Scafolds

Xiaoyu Han, Qimanguli Saiding, Xiaolu Cai, Yi Xiao, Peng Wang, Zhengwei Cai, Xuan Gong, Weiming Gong*, Xingcai Zhang* & Wenguo Cui*

Nano-Micro Letters (2023)15: 239

https://doi.org/10.1007/s40820-023-01187-2

本文亮點

1.對骨組織修復(fù)的血管化增材制造支架進行了全面和系統(tǒng)的討論。

2.討論了血管的發(fā)展機制以及骨組織工程與血管的關(guān)系。

3.血管化附加制造的支架在組織修復(fù)中的問題、機會和挑戰(zhàn)。

內(nèi)容簡介

智能血管網(wǎng)絡(luò)的修復(fù)材料被廣泛應(yīng)用于組織工程中。上海交通大學瑞金醫(yī)院崔文國等系統(tǒng)地從新生血管發(fā)生發(fā)展到骨組織工程，討論了血管化對組織的重要性。此外，重點介紹了血管化3D打印支架的研究進展和未來前景，將其分為了四類：功能性血管化3D打印支架、基于細胞的血管化3D打印支架、特殊載體的血管化3D打印支架和仿生血管化3D打印支架。最后，簡要回顧了血管化3D組織工程在心血管系統(tǒng)、骨骼肌、軟組織等相關(guān)組織中的應(yīng)用，并討論了智能血管化組織所帶來的挑戰(zhàn)和機遇。

圖文導(dǎo)讀

I組織修復(fù)與重建中的血管化研究

本文以骨組織為例，簡要探討了血管化對組織的重要性：新生血管化和發(fā)育、組織中的特殊血管網(wǎng)絡(luò)、血管化和組織修復(fù)、血管化和組織工程以及骨組織細胞的血管化及生化微環(huán)境。

圖1.骨組織中血管的形成和功能。a血管生成和血管生成。有兩種不同的血管形成機制。在胚胎發(fā)生期間，血管形成過程中產(chǎn)生原始血管叢。在腫瘤和缺氧條件的刺激下，血管生成重塑和擴大了血管網(wǎng)絡(luò)；b與骨內(nèi)血管相關(guān)的血管周圍細胞。較大的動脈被H型毛細血管的平滑肌細胞所覆蓋，而間充質(zhì)細胞分布在正弦型l型血管上；c膜內(nèi)血管生成的圖示。間充質(zhì)細胞濃縮形成海綿狀結(jié)構(gòu)，并分化成骨祖細胞和成骨細胞。

II3D打印技術(shù)與材料

圖2. 3D打印的技術(shù)。擠出式打印(a)、基于擠壓的打印(b)和激光輔助打印(c)復(fù)合材料(d)天然材料(e)無機材料(f)和有機材料(g)。

III功能化的3D打印支架促進組織血管化

血管網(wǎng)絡(luò)的建立在骨生長和骨再生中起著重要作用。雖然3D打印支架的多孔結(jié)構(gòu)對骨修復(fù)有積極的影響，但表面活性基團的缺乏降低了支架血管化的能力，從而阻礙了整個骨修復(fù)過程。引入生物活性基團是一種有效的方法，使惰性表面具有理想的生物特性。研究人員一直在通過物理摻雜和化學方法在壓片上修飾活性基團，以賦予3D打印支架血管化能力。到目前為止，所報道的功能化方法包括金屬、活性藥物、蛋白質(zhì)或多肽和生長因子。

圖3. 基于金屬和藥物修飾的血管化3D打印網(wǎng)絡(luò)的方法。a 一個金屬離子在3D打印支架上的修飾示意圖；b 樣品的制備工藝和掃描電鏡示意圖。c、d 金屬離子的光學圖像和釋放實驗；e 3D打印PCL的示意圖及其在骨缺損模型中骨再生的生物學功能；f 對骨缺損部位內(nèi)形成的新血管進行CT掃描后的x線及重建的圖片；g 雙鈣黃綠素標記的新形成骨的組織學。

圖4. 通過多肽和生長因子嫁接的表面功能化。a 納米涂層改性三維打印制備過程和納米涂層生長因子的釋放的示意圖；b 納米涂層在2周內(nèi)釋放大量蛋白質(zhì)；c 3D打印支架上的hMSCs和HUVECs的熒光圖像。

IV特殊載體負載的3D打印支架促進骨組織血管化

成骨過程是與血管化緊密偶聯(lián)的，但如何在3D打印支架中做到有效徹底的血管化是近期研究的重點。目前研究最多是將可血管化的活性小分子物質(zhì)通過合適的載體與3D打印支架進行結(jié)合，達到一個持續(xù)穩(wěn)定的控釋效果，使得支架獲得血管化能力。常用的活性小分子包括：藥物(DFO、辛伐他汀)、生長因子(VEGF)等。我們常用得載體大致可分為三類，分別是水凝膠、微球、納米顆粒(脂質(zhì)體、外泌體)。

圖5. 特殊載體的3D打印支架。a 設(shè)計一個受“蓮蓬”啟發(fā)的內(nèi)部血管化3D打印生物陶瓷支架的示意圖，具有內(nèi)部血管化和成骨功能；b GelMA微球的熒光顯微鏡圖像；c 體外釋放模式；d 通過DLS表征脂質(zhì)體顆粒；e 雙鈣黃綠素標記及定量結(jié)果；f 血管生成和骨生成相關(guān)基因的免疫熒光染色；g 工程外泌體增強成骨和血管生成的示意圖；h 透射電鏡圖像和i 外泌體的蛋白質(zhì)標記物。

V細胞修飾的3D打印支架促進骨組織血管化

理想的骨支架材料除了需具備良好的生物相容性、生物活性、生物可解性及機械支撐作用外，還需滿足血管和骨長入的條件。構(gòu)建具有生物活性的能快速被血管化的組織工程支架，支架材料和種子細胞必不可少。在骨組織工程中，最廣泛被用來誘導(dǎo)血管化成骨的細胞是間充質(zhì)干細胞和內(nèi)皮細胞。間充質(zhì)干細胞的主要來源有骨髓、脂肪組織、臍帶、胎盤等。在這里我們著重介紹BMSCs，它的生物學特性主要包括成骨分化、再生潛能和定向遷移能力，可產(chǎn)生相應(yīng)的生長因子及細胞因子促進骨損傷的修復(fù)。內(nèi)皮細胞是血管形成過程中必不可少的細胞。在骨組織工程中由于內(nèi)皮細胞的存在，3D打印支架可以迅速的形成血管網(wǎng)絡(luò)，并與宿主循環(huán)系統(tǒng)相結(jié)合，為缺損部位提供營養(yǎng)，快速轉(zhuǎn)運代謝廢物，加快骨修復(fù)。根據(jù)3D打印墨水的成分主要分為三類，分別為“細胞”修飾的3D打印支架、復(fù)合細胞墨水的3D打印支架和“基因”修飾細胞墨水的3D打印支架。

圖6. 基于細胞和基因的生物活性3D打印血管網(wǎng)絡(luò)。a 基于細胞的生物墨水打印過程和微觀結(jié)構(gòu)圖像的示意圖；b 含有人臍帶間充質(zhì)干細胞(HUMSC)的修復(fù)性水凝膠血管皮瓣的制備示意圖；c 活死染色觀察水凝膠支架的出芽；d，e 共聚焦顯微鏡圖像追蹤水凝膠微管隨時間的變化。白色三角形箭頭表示尖端細胞。

VI仿生的3D打印支架促進骨組織血管化

圖7. 結(jié)構(gòu)仿生的3D打印。a 一種具有獨特的核-殼復(fù)合結(jié)構(gòu)的中央血管化組織工程骨移植物的實驗設(shè)計；b 植入細胞的3D打印支架粘附；c 在兔股骨缺損模型中，通過增強顯微CT成像評價不同類型股骨的新生血管形成；d 實驗設(shè)計示意圖；e 支架頂部、中、底部的后向散射掃描電鏡軸向切片，具有高倍放大區(qū)域。

圖8. 結(jié)構(gòu)仿生的3D打印。a 蓮藕微觀結(jié)構(gòu)的功能圖式及蓮藕樣仿生材料在組織再生中的應(yīng)用；b 仿生骨的組織學切片的熒光圖像以及新形成的骨組織的顯微CT分析；c 哈弗氏仿生支架的生物打印過程；d 哈弗氏仿生支架的組織學研究，以評估血管生成和成骨特性。

VII4D打印的血管化支架

圖9 4D打印血管化支架在組織工程中的應(yīng)用示意圖。a 一種自折疊水凝膠基(細胞裝載)管的四維生物制造方案；b 自折疊水凝膠管(充滿細胞)的響應(yīng)性；c 培養(yǎng)1d的(左柱)、2d(中柱)和7d(右柱)后細胞負載管的代表性熒光顯微鏡圖像；d 堿性磷酸酶和凝血酶4D活性；e 四維物體的順序催化活性導(dǎo)致纖維沉積和鈣化

VIII血管化增材制造支架在其他組織工程領(lǐng)域的應(yīng)用

圖10 血管化增材制造-支架在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用示意圖。a 一種具有獨特的4D自變形能力的心臟貼片；b 3D打印骨骼肌的仿生肌纖維結(jié)構(gòu)；c 血管化軟組織；d 產(chǎn)氧的血管化3D打印支架；e 患者特殊主動脈根部模型，內(nèi)部傳感器；f 內(nèi)皮化血管床。

作者簡介

崔文國

本文通訊作者

上海交大醫(yī)學院附屬瑞金醫(yī)院 教授

▍主要研究領(lǐng)域

主要從事骨、關(guān)節(jié)等再生醫(yī)學材料研究，并促進臨床轉(zhuǎn)化。

▍主要研究成果

教授、博導(dǎo)，上海交大醫(yī)學院附屬瑞金醫(yī)院/上海市傷骨科研究所。主要從事骨、關(guān)節(jié)等再生醫(yī)學材料研究，并促進臨床轉(zhuǎn)化，發(fā)表系列論文，H=75，引用1.8萬余次，專利70項（轉(zhuǎn)化13項）、主編Elsevier/Wiley書2本等。入選全球高被引學者、ESI高被引論文、全球前2%頂尖科學家（排名前0.5%）、英國皇家化學學會會士（FRSC）、中國生物材料學會理事（FCSB）、教育部高等學?？茖W研究優(yōu)秀成果獎和上海市科技進步一等獎、全國轉(zhuǎn)化醫(yī)學創(chuàng)新獎等。主持國家自然科學基金重點項目、國家重點研發(fā)課題、國家級人才項目、上海市優(yōu)秀學代等項目。

▍Email：wgcui80@hotmail.com

撰稿 ：原文作者

納微快報

Nano-Micro Letters《納微快報(英文)》是上海交通大學主辦、在Springer Nature開放獲取(open-access)出版的學術(shù)期刊，主要報道納米/微米尺度相關(guān)的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微納米材料與結(jié)構(gòu)的合成表征與性能及其在能源、催化、環(huán)境、傳感、電磁波吸收與屏蔽、生物醫(yī)學等領(lǐng)域的應(yīng)用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等數(shù)據(jù)庫收錄，2022JCR影響因子為 26.6，學科排名Q1區(qū)前5%，中科院期刊分區(qū)1區(qū)TOP期刊。多次榮獲“中國最具國際影響力學術(shù)期刊”、“中國高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等榮譽，2021年榮獲“中國出版政府獎期刊獎提名獎”。

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