从微尺度毛细血管到毫米尺度的大血管，人体血管系统跨越多种尺度以及细胞类型。生物工程，材料科学和干细胞生物学的融合使组织工程研究人员能够重建血管树不同层次的结构和功能。工程化大尺度血管旨在替换受损的动脉，小动脉和静脉，它们在临床中的常规应用可能在不久的将来成为现实。针对宏观和微血管系统的工程化策略进行了广泛探索，从而生成用于研究血管生物学，药物运输和疾病进展以及用于再生医学的血管化工程化组织的模型。近期哥伦比亚大学Gordana Vunjak-Novakovic教授团队在Advanced Functional Materials上发表题为“From Arteries to Capillaries: Approaches to Engineering Human Vasculature”的文章，系统讨论了血管系统的体外制造。
Figure 1 血管树的组织结构
由于缺乏适当的整合的血管系统来有效地输送氧气和营养，用于移植的生物工程化组织无法实现临床移植。发展产生多尺度血管网络及其直接吻合宿主血管系统的策略将大大有利于这一艰巨目标的实现。
Figure 2 血管生物工程基本进展概述
人体循环系统由密集复杂的血管网络组成，该网络经过优化可有效地将气体，营养物供应给细胞并将代谢产物从细胞中排出。它的层次涵盖厘米级的主动脉到微米级的毛细血管。在过去的几十年中，在单独概述血管树的不同组成部分方面取得了重大进展。工程化构建了大口径和小口径的血管用于重建或绕过阻塞的动脉。体外血管网络的制造已受到广泛关注，器官芯片平台的开发可用于模拟人体病理/生理学以及患者特异性药物反应。此外，研究人员一直致力于开发技术来实现大尺度工程化组织中嵌入宏观和微血管网络，从而支持它们在体外和植入后的长期存活和功能化实现。
Figure 3 小直径血管的制造方法
尽管所有的血管的组成都是携带血液的腔，但它们在大小和功能上的异质性需要不同的设计标准和制造方法。尽管工程化大血管被设计为单腔结构，用于支持高脉动压力的流体流动，但是对于工程化的微血管系统，需要将重点放置于模仿复杂的毛细血管网络组织以及内皮屏障功能。结合工程学，生物材料和干细胞生物学进展的的众多策略帮助重现了血管每个组成部分的复杂性，从而获得面向转化应用的量身定制的方法。自从1990s初期以来发展到今天，血管生物学的基础研究为组织工程研究人员提供了宝贵的见解。关于血管形成和功能机制在健康和疾病方面的持续研究对于该领域的进一步发展至关重要。
Figure 4 宏微血管结构的构建工艺
在本综述中，讨论了工程化毫米级，宏观，以及微观血管的设计考虑因素及技术。进一步提供了用于工程化多尺度血管系统的最新技术的示例。最终确定了限制血管化组织临床转化的关键挑战，并提出了关于未来探索方向的展望。首先简要总结了血管树的结构，其在胚胎发生过程中的形成以及体内的基本功能。其次探索制造血管系统不同层次的方法，从用于移植的大小口径的血管，到器官芯片平台和工程化组织的宏微尺度流道。进一步讨论了制造多尺度血管系统的最新技术。在整个过程中，将涵盖到影响这些子领域发展的大量开创性论文，并强调了过去几年在推动该领域向前发展方面的主要进展。最后概述了我们对当前该领域面临的挑战，以及对未来研究以及有望推动工程化组织转化的制造策略的看法。
Figure 5 构建宏微尺度血管结构的方法
多年来，对大尺度血管的工程化设计一直是组织工程面临的主要挑战。从各种制造方法到细胞来源，对大型血管进行工程化改造的努力已进入临床移植的早期阶段。在工程化宏微血管系统中，重点已转向使用更先进的生物制造技术来实现更高的结构复杂性和分辨率。许多课题组在模拟健康和疾病中的宏微血管系统，转变血管生物学领域以及在药物开发中的应用方面做出了巨大的努力。同时，尽管新颖的生物工程方法能够实现血管化工程组织，但主要障碍仍然阻止了这些组织的临床转化。未来必须努力对基本的血管生物学以及材料科学创新，工程学和干细胞生物学有更全面的了解，从而开发具有功能性和多尺度血管系统的工程化组织，从而实现植入后的灌注以及有效的氧气和营养供应。
Figure 6 构建复杂多尺度血管结构的方法
论文地址：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201910811
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