3D 生物打印血管的开发与应用：为血管疾病治疗带来新曙光

《Scientific Reports》：Development and deployment of a functional 3D-bioprinted blood vessel

血管疾病严重威胁人类健康，现有治疗手段存在诸多局限。研究人员开展 3D 生物打印血管的研究，用大鼠成纤维细胞（FCs）和平滑肌细胞（SMCs）生物打印大鼠主动脉并植入体内。结果显示植入血管耐受性良好，该研究为人类血管疾病治疗提供新方向。

　　在医学的奇妙世界里，血管就像一条条纵横交错的高速公路，为身体的各个组织和器官输送着生命的 “燃料”—— 营养物质，同时运走细胞产生的 “垃圾”。然而，当血管出现问题时，就如同高速公路发生了严重堵塞，各种健康危机接踵而至。心血管疾病（CVD）便是其中的 “头号杀手”，全球范围内，它是导致死亡的主要原因之一。常见的冠状动脉疾病和外周动脉疾病（PAD），多由动脉粥样硬化引起，血管壁上的斑块不断堆积，使得血管变得狭窄、僵硬，不仅影响血液流通，还可能引发缺血性损伤，严重时患者不得不进行血管置换手术。

目前，血管置换的常用方法存在诸多弊端。自体移植物虽然具有良好的生物相容性，但来源有限，获取过程会给患者带来额外的痛苦和风险，而且 10 年失败率约为 30%。合成移植物如膨体聚四氟乙烯（Gortex）和聚对苯二甲酸乙二酯（Dacron），只能用于大直径血管（>6 mm），在小直径血管中容易形成血栓，结构稳定性差，通畅率低，还容易滋生生物膜，需要再次手术清除。在慢性肾病（CKD）的治疗中，血管通路（VA）的建立至关重要，但自体动静脉内瘘（AVF）在 12 个月后的功能率仅为 60% 。因此，开发一种理想的小直径血管替代物迫在眉睫。

在这样的背景下，来自美国约翰?B?皮尔斯实验室（The John B. Pierce Laboratory, Inc）、德国弗劳恩霍夫个性化和细胞基医学工程研究所（Fraunhofer IMTE）等机构的研究人员，踏上了探索的征程，致力于开发 3D 生物打印血管。他们的研究成果发表在《Scientific Reports》上，为血管疾病的治疗带来了新的希望。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：首先是生物墨水（bioink）的制备，将大鼠静脉平滑肌细胞（SMCs）和大鼠主动脉成纤维细胞（FCs）在特定条件下培养、收获，与包含透明质酸、明胶和聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）的水凝胶混合，制成两种不同细胞组成的生物墨水。然后，利用旋转芯轴法在生物打印机（NovoGen MMX Bioprinter?）上进行打印，将生物墨水沉积在旋转的不锈钢棒（芯轴，直径 3mm）上，构建出 3D 生物打印血管导管。打印完成后，对血管导管进行体外培养，之后将其植入大鼠体内，观察其在体内的功能和变化。

研究结果：

1. 血管构建与培养：通过旋转芯轴法，成功打印出具有三层结构、长度为 10mm 的血管导管，每层厚度为 500μm。打印后的血管在体外培养时，先在 30°C 孵育 24 小时，再转移至 37°C 孵育，经过一系列培养步骤后，准备进行体内植入实验。
2. 体内植入实验：将实验动物分为对照组和实验组，每组 20 只雄性 Sprague-Dawley 大鼠。实验组大鼠在体外培养完成后 24 小时内接受主动脉导管植入手术，对照组大鼠仅进行手术操作但不植入血管。术后观察发现，植入的生物打印血管导管保持通畅，具有与天然血管相似的拉伸和机械强度，且未观察到动脉瘤行为、缝合部位出血和术后并发症，炎症反应轻微，血管导管能很好地融入体内。在不同时间点（术后 7 天、30 天和 60 天）对大鼠进行安乐死并取出血管，结果显示大部分大鼠存活，表明生物打印血管导管适合体内植入。

研究结论与讨论：
该研究成功开发并应用了 3D 生物打印血管技术，构建出的血管导管在生物学和机械功能上表现良好，能够在动物模型中实现长期稳定植入。这种方法避免了传统生物材料支架带来的免疫原性、降解速率、毒性等问题，利用水凝胶中的胶原蛋白等成分，创造出与天然血管结构相似的血管。与其他研究相比，该研究中生物打印血管在体内保持稳定的时间更长。此外，研究人员认为该方法具有广泛的应用前景，可以应用于其他细胞类型，尤其是人类细胞，有望用于多种临床治疗，如治疗糖尿病足、动脉硬化，为血液透析患者制造动静脉内瘘等，还能为儿科患者提供合适的血管植入物。不过，在将其应用于人体之前，还需要进一步研究，如对血管的机械性能进行更深入的表征，证明新内膜的形成和细胞排列情况，进行苏木精 - 伊红（H&E）染色和免疫组化分析等。

总的来说，这项研究为血管疾病的治疗开辟了新的道路，3D 生物打印血管技术展现出巨大的潜力，虽然距离临床应用还有一段路要走，但它已经为未来的医学发展点亮了一盏明灯，让我们对攻克血管疾病充满期待。