双一区综述 l 生物3D打印血管组织：从细胞、组织和器官层面评估功能

生物3D打印技术已成为组织工程领域的重要组成部分。该技术可实现生物墨水（含细胞）的精准排列，以制造组织器官及仿生结构。在血管制造领域，为了高效地构建功能性血管组织，多种生物打印技术和生物墨水应运而生。根据血管预期的功能和用途，血管结构的制造方案亦各有千秋。然而，迄今为止，用于评价体外生物打印血管结构和功能的指标体系仍不够系统。

近来，一篇综述从血管组成细胞和血管组织两方面对生物打印血管的功能的评估方案进行了系统性介绍。文章还概述了基于不同功能的血管结构在各种生物场景中的广泛应用，重点聚焦了含有血管网络的各类器官模型，以及器官芯片的重要分支——血管芯片。

相关论文以题为Bioprinted vascular tissue: Assessing functions from cellular, tissue to organ levels发表在《Materials Today Bio》上，第一作者为硕士生江海红和李雪依。通讯作者是上海市生物医药技术研究院的王志敏研究员和上海大学的郏佳研究员。

▲论文链接：

DOI: https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2023.100846

血管组织工程的生物打印策略

为了在生物打印中实现血管结构的功能，除了选择合适的生物墨水，生物打印系统的选择在构建三维血管结构的过程中至关重要。本节讨论了生物打印技术的局限性以及应用场景。常用于制造大直径血管的生物打印技术有挤压式生物打印和喷墨式生物打印等技术。基于还原聚合(VP)的生物打印代表了一种新兴的生物打印技术，包括SLA、数字光处理(DLP)和双光子聚合(2PP)，此外基于激光的生物打印 （LaBP）和体积生物打印等方法也适用于构建小直径血管和复杂毛细血管网络（图1）。同时，该节还讨论了传统血管组织工程（VTE）的方法（例如，静电纺丝(ES)、基于细胞片（cell sheet）的技术、基于脱细胞外基质的方法和冷冻干燥法），强调了生物打印技术与传统制造方法的结合在构建不同尺度的功能化血管中的巨大潜力。

图1 制造血管组织的生物打印策略

作者集中讨论了上述生物3D打印技术用于构建组织工程的血管结构，结合文献实例对其各部分进行了详细的介绍，并对不同类型血管结构的3D打印技术进行了总结（表1）。

表1 血管组织工程制造策略。

细胞层面：

血管细胞功能的体外评估

许多生物打印的血管结构纷至沓来，相关研究已经证明它们具有一定的生理功能。然而，这些研究主要集中在实现对体内血管结构的仿真，却未能实现血管真实的生理细节与功能。因此，作者系统地归纳和阐释了目前血管及血管组织的功能评估标准。

组织工程血管中细胞的长期存活仍然是生物制造领域最受关注的问题之一。生物打印后的细胞存活是进一步培养获得功能性结构的关键因素之一。细胞活力还可以体现生物材料与细胞之间的相互作用。此外，通过表征不同细胞类型表面或内部的特定蛋白质亦可考察血管细胞的形态（图2）。作者在本节重点讨论了用于评估血管相关细胞的指标，并将其总结在表2中。

图2 血管相关细胞标记物的表征

表2 血管组织功能:血管相关细胞的评估

组织层面：

生物打印血管组织的功能评估

目前，在体外制造功能齐全的以下血管组织，仍是业内的重大挑战:（1）功能性的多层大/小直径血管的制造;（2）大型血管化组织的制备;（3）血管化组织移植物与自身血管或原生血管的整合。为了解决以上挑战，研究者提出了将微血管化结构与大直径血管支架组装在一起的策略（图3），进而实现宿主血管与移植物的血流灌注和血管吻合。此外，作者重点关注了血管化组织的灌注、渗透性（图4）和血管吻合（图5）等生理功能，并将它们作为表征血管功能的重要指标。

图3 大直径血管与周围血管化组织之间的相互作用、生长和吻合

图4 血管组织的灌注性和渗透性。

图5 移植的生物打印血管组织发生血管吻合

器官层面：

生物打印血管组织的评价与应用

器官水平的血管化组织在体内和体外都需要具有与体内相似的生理功能。除了如上节所述的功能外，作者提出人造血管还应具有更多生物功能，如对血管收缩剂的静止性和收缩性。对于血管移植物而言，评估人工血管的生物学特性对于防止诸如可降解性、塌陷或再狭窄等问题至关重要。这要求人造血管具有足够的机械强度、物理稳定性和细胞保存稳定性。

生物打印技术可制造出不同尺度和空间分布的血管结构。主要是由含有单/多层血管细胞的毫米级血管和具有微米级复杂毛细血管网络的血管化组织构成。作者强调了血管结构和功能应该保持一致性。由于不同的生物应用需要血管具备各异的功能属性，因此本次讨论中，作者着重关注了血管/血管化组织的功能器官模型和血管芯片在器官水平上的应用（表3/图6）。

图6 生物打印血管结构的应用

表3 功能性器官模型的应用

总结

综上所述，作者在本文中首先阐述了选择合适的生物墨水配方和生物打印技术对制造血管组织工程的重要性。此外，由于缺乏评估体外血管结构功能的指标，本文从细胞、组织和器官水平强调了不同阶段功能指标的重要性。在细胞/组织层面对血管结构及生理功能的考察方法，包括检测血管组成细胞的活性和标记蛋白等。除了渗透性、机械特性和血管吻合等特性，移植后的通畅性、抗血栓、组织亲和性和血管活性也需要兼顾。

同时，在评估生物打印血管和天然血管在功能方面之间的差异性和一致性的基础上，本文概括了血管结构满足实际需求的应用：（1）厘米级的分层血管移植物可作为临床治疗手段；（2）微米级的功能性血管网络组织可作为疾病模型。更重要的是，生物打印结合器官芯片制造技术使具有复杂微血管的3D组织模型构建成为可能。作者设想未来生物制造技术可制备出患者特异性血管或血管芯片，构建病人专属的体外生理或疾病模型，便于深层次研究诸如癌症和心血管等疾病的发生与发展机制。

论文引用信息：

Haihong Jiang, Xueyi Li, Tianhong Chen, Yang Liu, Qian Wang, Zhimin Wang, Jia Jia,Bioprinted vascular tissue: Assessing functions from cellular, tissue to organ levels,Materials Today Bio,Volume 23,2023,100846,ISSN 2590-0064,https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2023.100846.

通讯作者简介

郏佳，博士，上海大学研究员，从事生物打印十余年。代表性成果发表于国际知名期刊。受多国院士正面评述，且受《Chemical Reviews》约稿并发表，邮箱jiajia748@126.com。

王志敏，博士，上海市生物医药技术研究院研究员，交叉技术研究组组长，邮箱wangzhm@chgc.sh.cn。

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