用于组织工程支架血管化的微管嵌入水凝胶生物打印

1   |   引言

心血管疾病（CVD）是全球死亡的主要原因（世界卫生组织，2022    ) 。尽管自体血管移植被认为是临床治疗的金标准，但传统的移植方  法受到供体数量的限制，可能会导致继发性血管阻塞(Kucukgul et al. , 2015; Pashneh-Tala et al., 2016)。血管组织工程的发展为心血管 疾病带来了新的治疗方向。通过用合成移植物替换残疾血管，可以重  建血管系统，并可以绕过闭塞和动脉瘤（Song et al., 2018）。大直 径（>8mm）和中直径（6-8mm）的合成移植物主要通过成型和生物 打印来模拟血管网络来制造（Fazal et al., 2021）。然而，传统的制 造方法通常无法制造尺寸为亚10微米级别的毛细管拟态和生物相容性 微血管系统。

近年来引入静电纺丝来制造毛细血管（Zhou et al., 2018）。通过 向液滴施加高电压，静电斥力抵消表面张力并拉伸液滴。一旦排斥 力克服了表面张力，泰勒锥就会形成并导致喷发（Kong et al.,2010）。借助静电纺丝技术，可以制造微米到纳米级的纤维。在  我们之前的研究中，开发了芯鞘静电纺丝以获得模拟毛细血管的管  状结构（Zhou & Tan ，2020a）。将两种静电纺丝溶液同时泵入  芯鞘喷丝头，随后芯溶液溶解（Zhou et al., 2021）。在另一个例 子中，吴等人。 (2020) 使用芯鞘静电纺丝来制造聚乳酸-乙醇酸  共聚物和聚乳酸的混合纤维， 以促进机械完整性、细胞附着和增殖  。尽管越来越多的研究致力于推进静电纺丝在血管组织工程中的应  用，但由于静电纺丝的固有性质，许多工作都集中在没有宏观形态  控制的二维（2D）支架的制造上。为了解决这个问题，最新的研究 一直集中在增材制造技术上，例如用于制造人造血管的生物打印。

生物打印通常用于打印合成软组织并为细胞生长提供细胞外基质环境 （Huang et al., 2021）。人们已经做出了许多努力来使用生物打印 技术来制造血管模拟物，该技术可以提供均匀的细胞负载生物墨水。 例如，徐等人。（2018）利用双层圆形支撑支架和生物打印的小直 径血管替代品。弗里曼等人。(2019) 将纤维蛋白原与明胶混合，在 旋转收集器上打印血管结构。关于生物打印材料，海藻酸钠（SA） 由 于其生物相容性、生物可降解性以及对二价抗衡离子的快速交联反应 , 是细胞培养中使用最广泛的生物打印材料之一（Asadi et al.,2020）。另一方面， 由于其流体特性，纯 SA 溶液的打印通常会导  致打印保真度和结构完整性较差。此外，细胞亲和力的缺乏导致细胞 附着和增殖低。为了解决这些问题，研究人员将SA与其他生物材料混 合，例如凝胶（Mondal等，2019）、胶原蛋白（Yang等，2018）和羧甲基纤维素（CMC）（Zhang等，2021）， 以改善机械性能特  性并最大限度地减少生物惰性（Sun & Tan ，2013）。此外，静电纺 丝与生物打印的结合在血管组织工程中显示出日益增长的趋势。例如  , 金等人。 (2022) 在电纺微纤维上生物打印复合生物墨水， 以实现 更好的细胞粘附。在生物墨水中添加电纺纤维是为印刷组织提供内部  支撑的另一种方法。赵等人。 (2020) 将分散纤维与 CaP 粉末混合  用于3D 打印，Chen 等人。 (2020)将纤维与软骨脱细胞基质混合  来制造软骨组织支架。所有研究均表现出高印刷适性和良好的生物相  容性。然而，心血管疾病（CVD）是全球死亡的主要原因（世界卫生组织，2022    ) 。尽管自体血管移植被认为是临床治疗的金标准，但传统的移植方  法受到供体数量的限制，可能会导致继发性血管阻塞(Kucukgul et al. , 2015; Pashneh-Tala et al., 2016)。血管组织工程的发展为心血管 疾病带来了新的治疗方向。通过用合成移植物替换残疾血管，可以重  建血管系统，并可以绕过闭塞和动脉瘤（Song et al., 2018）。大直 径（>8mm）和中直径（6-8mm）的合成移植物主要通过成型和生物 打印来模拟血管网络来制造（Fazal et al., 2021）。然而，传统的制 造方法通常无法制造尺寸为亚10微米级别的毛细管拟态和生物相容性 微血管系统。

近年来引入静电纺丝来制造毛细血管（Zhou et al., 2018）。通过 向液滴施加高电压，静电斥力抵消表面张力并拉伸液滴。一旦排斥 力克服了表面张力，泰勒锥就会形成并导致喷发（Kong et al.,2010）。借助静电纺丝技术，可以制造微米到纳米级的纤维。在  我们之前的研究中，开发了芯鞘静电纺丝以获得模拟毛细血管的管  状结构（Zhou & Tan ，2020a）。将两种静电纺丝溶液同时泵入  芯鞘喷丝头，随后芯溶液溶解（Zhou et al., 2021）。在另一个例 子中，吴等人。 (2020) 使用芯鞘静电纺丝来制造聚乳酸-乙醇酸  共聚物和聚乳酸的混合纤维， 以促进机械完整性、细胞附着和增殖  。尽管越来越多的研究致力于推进静电纺丝在血管组织工程中的应  用，但由于静电纺丝的固有性质，许多工作都集中在没有宏观形态  控制的二维（2D）支架的制造上。为了解决这个问题，最新的研究 一直集中在增材制造技术上，例如用于制造人造血管的生物打印。纤维在收集器表面随机静电纺丝，导致微纤维分布不均  匀。此外，水凝胶中的纤维混合物显示生物墨水中缺乏微管结构。

在这项研究中，静电纺丝和生物打印技术相结合来制造用于生物打印的管装水凝胶。本研究的目的是研究静电纺丝微管对复合支架打印  保真度和生物相容性的影响。假设是 (1) 在生物打印水凝胶中包含微 管将改善或至少保持可打印性和打印保真度， (2) 嵌入的微管将促进  3D 结构中的细胞粘附和活力。为了检验假设，选择了水凝胶内微管浓 度的三个水平和平均微管长度的三个水平。结果表明，添加缩短的微  管显着提高了打印保真度和细胞附着。这项研究有可能为组织工程应  用中亚 10 微米尺度的人工毛细血管化支架制造的进步贡献知识