在全球健康殺手排行榜上，心腦血管疾病常年穩(wěn)居前列，而腦部血管狹窄更是引發(fā)中風(fēng)、動脈粥樣硬化等重癥的 “隱形炸彈”。我們常說 “血管年輕人就年輕”，可一旦血管變窄、血流不暢，內(nèi)皮細(xì)胞的炎癥反應(yīng)便悄然啟動，最終可能演變?yōu)橹旅∽儭鹘y(tǒng)研究依賴動物模型或二維細(xì)胞培養(yǎng)，難以還原真實人體血管中復(fù)雜的血流環(huán)境與細(xì)胞響應(yīng)——比如動物血管的解剖結(jié)構(gòu)與人類存在差異，二維培養(yǎng)無法模擬血管的三維管狀結(jié)構(gòu)和血流剪切力的空間分布。

那么，有沒有一種方法能在實驗室里“打印”出一條帶狹窄結(jié)構(gòu)的 “活血管”，實時觀察血流如何“惹怒”內(nèi)皮細(xì)胞？

近日，發(fā)表在

Advanced Functional Materials

一、生物墨水的“硬核升級”

要打印出能“工作”的血管，首先得有合適的“墨水”。研究團(tuán)隊將目光投向了豬主動脈——豬的血管結(jié)構(gòu)與人類相似度高，且來源豐富。他們通過物理化學(xué)方法對豬主動脈進(jìn)行去細(xì)胞化處理，提取出血管細(xì)胞外基質(zhì)（VdECM）。這種 VdECM 保留了血管特有的生物活性成分，如膠原蛋白、彈性蛋白和糖胺聚糖（GAGs），但去除了會引發(fā)免疫反應(yīng)的細(xì)胞成分（DNA 殘留量僅 17.81±2.25 ng/mg，遠(yuǎn)低于 50 ng/mg 的安全閾值）。

不過，單純的 VdECM 有個短板：機(jī)械性能較弱，打印后容易收縮或塌陷。為此，研究團(tuán)隊進(jìn)行了“材料升級”——將 VdECM 與膠原蛋白、海藻酸鈉復(fù)合，開發(fā)出一種混合生物墨水（Hybrid Bioink）。膠原蛋白能增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，減少收縮；海藻酸鈉則能通過鈣離子快速離子交聯(lián)，像“速干水泥”一樣讓打印的血管瞬間定型。

這種升級效果顯著：混合生物墨水的動態(tài)模量（反映材料抵抗變形的能力）較單純 VdECM 提升了約 65 倍，完美解決了傳統(tǒng) ECM 材料 “軟塌塌” 的問題。流變學(xué)測試還顯示，它具有“剪切稀化”特性——在打印時（高剪切力下）會變稀，便于擠出；打印后（低剪切力下）又能恢復(fù)固態(tài)，保證血管形態(tài)穩(wěn)定。更重要的是，它對細(xì)胞友好：包裹在內(nèi)的內(nèi)皮細(xì)胞存活率始終保持在 95% 以上，為血管“活起來”奠定了基礎(chǔ)。

利用三維浴內(nèi)同軸生物打印技術(shù)制造狹窄腦血管模型的集成方法

二、5 分鐘“造”出帶狹窄的血管

有了合適的墨水，下一步是 “精準(zhǔn)制造”。研究團(tuán)隊采用 “浴內(nèi) 3D 同軸生物打印” 技術(shù)，用一個特殊的同軸噴嘴完成血管的 “一次成型”：噴嘴外層擠出混合生物墨水（形成血管壁），內(nèi)層擠出含鈣離子的 Pluronic F127（一種可降解材料，作為臨時 “支架”）。打印完成后，溶解掉內(nèi)層材料，就形成了中空的血管 lumen（管腔）。

為了模擬血管狹窄，團(tuán)隊通過控制打印平臺的移動速度實現(xiàn) “按需變徑”：當(dāng)速度從 400 mm/min 提升到 1200 mm/min 時，血管內(nèi)徑從 1340 μm 縮小到 551 μm；若瞬間將速度提至 3600 mm/min，就能造出局部狹窄的區(qū)域（類似動脈粥樣硬化的斑塊凸起）。搭配 23 號核心噴嘴和 17 號外殼噴嘴，以及精準(zhǔn)調(diào)控的氣壓（外殼 500 kPa、核心 35 kPa），最終打印出的血管直徑穩(wěn)定在 250–500 μm，與人類腦部微血管尺寸高度匹配。

整個過程不到 5 分鐘，就能造出一條可灌注的血管模型—— 這比傳統(tǒng)多層構(gòu)建方法高效得多，且能保證管腔的連續(xù)性和結(jié)構(gòu)完整性。用熒光微球灌注測試顯示，墨水打印的血管沒有漏液或堵塞，血流能順暢通過狹窄區(qū)域，為后續(xù)的 “血流模擬” 做好了準(zhǔn)備。

三、讓血管 “活起來”

打印出的血管不僅要 “像” 血管，更要 “是” 血管。研究團(tuán)隊將兩種內(nèi)皮細(xì)胞——人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）和人腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞（HBMECs）種植到血管內(nèi)壁，在定制的培養(yǎng)芯片中進(jìn)行動態(tài)培養(yǎng)（通過泵系統(tǒng)模擬血流）。

7 天后，奇跡發(fā)生了：內(nèi)皮細(xì)胞在血管內(nèi)壁形成了連續(xù)的單層，像 “瓷磚” 一樣緊密排列。免疫熒光染色顯示，它們表達(dá)了 CD31（血管內(nèi)皮標(biāo)記）、ZO-1 和 VE - 鈣粘蛋白（細(xì)胞間連接蛋白），說明血管屏障功能已形成。 permeability 測試進(jìn)一步證實，HBMECs 形成的屏障最 “嚴(yán)密”——70 kDa 的熒光 dextran（一種大分子物質(zhì)）通過速度僅 3.93±0.13 μm/min，接近真實腦部血管的屏障特性（血腦屏障）。

更關(guān)鍵的是，這些 “活血管” 能對血流做出反應(yīng)。研究團(tuán)隊用計算流體力學(xué)（CFD）模擬發(fā)現(xiàn)，狹窄區(qū)域會出現(xiàn) “紊亂流”—— 流速忽快忽慢，剪切應(yīng)力驟降（從正常區(qū)域的約 4.7 Pa 降至狹窄處的 0 Pa 附近）。而實際灌注實驗中，熒光微球的運(yùn)動軌跡完美印證了這一模擬結(jié)果。

四、驗證 “炎癥鏈條”

有了能 “感受” 血流的活血管，研究團(tuán)隊終于能驗證核心假設(shè)：狹窄引發(fā)的紊亂流是否會誘發(fā)內(nèi)皮炎癥？

結(jié)果清晰且有力：在狹窄區(qū)域，內(nèi)皮細(xì)胞的炎癥標(biāo)志物 ICAM-1 和 VCAM-1 表達(dá)量顯著上升 ——ICAM-1 較正常血管區(qū)域增加約 2.2 倍，VCAM-1 增加約 1.5 倍。這兩種分子就像 “炎癥信號旗”，會吸引免疫細(xì)胞黏附到血管壁，正是動脈粥樣硬化等疾病的早期特征。

這一結(jié)果意義重大：它在體外模型中首次完整再現(xiàn)了 “血管狹窄→血流紊亂→內(nèi)皮炎癥” 的因果鏈條，證明了血流動力學(xué)變化是誘發(fā)血管病變的關(guān)鍵推手，而非單純的 “結(jié)構(gòu)異?！薄?/p>

五、不只是 “打印血管”，

而是構(gòu)建 “疾病實驗室”

這項研究的價值遠(yuǎn)不止 “造出一條血管”。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，它的優(yōu)勢在于：

●更高的生理相關(guān)性：相比微流控芯片（通道尺寸固定，難模擬復(fù)雜狹窄），3D 打印的血管可靈活調(diào)整直徑和狹窄程度，能覆蓋更廣泛的血流動力學(xué)場景（如不同程度的動脈粥樣硬化）；

●更強(qiáng)的生物活性：基于 VdECM 的墨水保留了血管特有的生化信號，比合成材料更能支持內(nèi)皮細(xì)胞的自然行為；

●更全面的可操作性：既能觀察細(xì)胞形態(tài)變化，又能檢測分子表達(dá)，還能通過調(diào)整流速、狹窄程度進(jìn)行 “變量控制實驗”。

當(dāng)然，研究仍有提升空間：目前的模型未包含血管壁的平滑肌細(xì)胞和免疫細(xì)胞，難以模擬完整的血管壁結(jié)構(gòu)和全身免疫反應(yīng)；去細(xì)胞化過程的批次差異可能影響結(jié)果穩(wěn)定性。未來，結(jié)合器官芯片技術(shù)、引入更多細(xì)胞類型，或能進(jìn)一步提升模型的復(fù)雜性。

但不可否認(rèn)，這項技術(shù)為腦血管疾病研究打開了新大門?；蛟S在不久的將來，醫(yī)生可以用患者自身細(xì)胞 “打印” 出血管模型，測試哪種藥物能最有效抑制炎癥；工程師可以通過它優(yōu)化血管支架的設(shè)計，減少植入后的血流擾動。

從“豬主動脈”到“人體血管副本”，從“靜態(tài)結(jié)構(gòu)”到“動態(tài)響應(yīng)”，這項研究讓我們看到：生物制造的浪漫，不僅在于“造出生命”，更在于讓我們能更溫柔、更精準(zhǔn)地對抗疾病。而這，正是科技獻(xiàn)給健康的最好禮物。

參考資料：

[1]Wonbin Park, Min-Ju Choi, Jae-Seong Lee, et al. Embedded 3D‐Coaxial Bioprinting of Stenotic Brain Vessels with a Mechanically Enhanced Extracellular Matrix Bioink for Investigating Hemodynamic Force‐Induced Endothelial Responses, Advanced Functional Materials (2025). DOI:10.1002/adfm.202504276.

來源 | 生物谷

撰文 | 生物谷

編輯 | 木白

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