《ACS Nano》华南理工施雪涛/南方科大刘吉：3D打印水凝胶构建功能性血管结构！

三维打印（3DP）水凝胶基血管构建物已经被研究用于应对血管或器官功能的损害，通过精确复制三维结构几何形状来接近它们的功能。然而，这些构建物仍然面临着内在脆弱性的挑战，这使得它们无法承受缝合穿刺，并在与血液直接接触时保持长期的结构和功能稳定性。在这里，华南理工大学施雪涛、南方科技大学刘吉报告了一种高保真数字光处理（DLP）3D打印技术，用于打印基于聚乙烯醇的墨水的高精密水凝胶血管构建物，随后通过工程化纳米晶体域和随后的表面改性来增强其机械强度。经过准备的高精密水凝胶血管构建物被赋予了非常理想的机械鲁棒性、缝合耐受性、抗膨胀性、抗血栓性和长期通畅性。值得注意的是，具有精确阀门结构的基于水凝胶的仿生静脉移植物，在比格犬深静脉内4周植入期间，展示了对单向流动的卓越控制，并成功地完成了生物学功能和通畅性，从而证实了其在治疗慢性静脉功能不全方面的潜力。该研究题为“3D-Printed Hydrogels with Engineered Nanocrystalline Domains as Functional Vascular Constructs”发表在《ACSNano》。

图1展示了通过数字光处理（DLP）3D打印技术制造聚乙烯醇（PVA）基水凝胶构建物的过程，随后通过梯度NaOH溶液处理来工程化纳米晶体域。这一过程不仅提高了水凝胶的机械强度和韧性，还通过表面改性增强了其抗肿胀性、缝合耐受性和抗血栓性。图中的雷达图比较了AP-PVA水凝胶与传统3D打印水凝胶及机械增强水凝胶的性能参数，表明AP-PVA水凝胶在形成能力、肿胀抵抗、顺应性、缝合性和短期及长期植入的血液相容性方面均表现出较高水平。此外，还说明了经过表面改性的AP-PVA水凝胶基血管构建物在植入后表现出低血栓形成性，并能在后期支持内皮细胞层的形成，以维持长期通畅性。因此，通过这种方法制备的水凝胶血管构建物具有精确的3D结构、优越的机械性能和抗肿胀性，以及良好的血液相容性，适合作为血管替代品。

图1. 通过梯度NaOH溶液处理工程化纳米晶体域的3D打印水凝胶，用于构建结构复杂的血管构建物

【具有机械鲁棒性的3D打印AP-PVA水凝胶构建物】

图2描述了通过数字光处理（DLP）3D打印技术制造的聚乙烯醇甲基丙烯酸酯（PVAGMA）水凝胶构建物，并展示了通过不同后处理方法（包括冷冻-解冻、干燥退火、盐析和碱处理）来增强其机械性能的过程。研究发现，碱处理（特别是使用15% NaOH溶液）显著提高了水凝胶的拉伸强度和模量，同时最小化了尺寸收缩。通过碱处理，PVAGMA水凝胶的拉伸强度提高了56倍，模量提高了14倍，而尺寸收缩控制在原始尺寸的76%。此外，扫描电子显微镜（SEM）图像和X射线衍射（XRD）结果证实了纳米晶体域的形成，这些域作为物理交联点，赋予了水凝胶优异的机械韧性。此外，还展示了水凝胶的爆破压力、顺应性和缝合保持强度等关键参数，这些参数对于评估人工血管构建物的效率至关重要。因此，通过碱处理优化的PVAGMA水凝胶具有作为人工血管移植物所需的机械强度和功能性，能够承受体内植入时的机械挑战。

图2. 具有机械鲁棒性的3D打印AP-PVA水凝胶构建物

【3D打印水凝胶基功能性血管构建物及其体外功能】

图3展示了基于AP-PVA水凝胶的功能性血管构建物的3D打印过程及其体外功能验证。研究者们利用AP-PVA水凝胶打印了具有复杂三维几何形状的血管模型，包括人工主动脉弓和心脏瓣膜结构、小型血管网络结构，以及具有最小曲面结构的功能性血管肺结构。通过色素灌注实验验证了血管结构的流体密封特性，并测试了氧气在水中的溶解度变化，证明了其在模拟肺泡结构中的气体交换能力。此外，还制备了仿生带瓣静脉移植物（BVVGs），通过数值模拟和流体循环测试验证了其瓣膜的单向流动控制功能。此外，还展示了在体外模拟肌肉泵灌注实验中，BVVGs能够模拟静脉血液回流的动力源，通过挤压产生内部流体脉冲流率。这些结果表明，所制备的血管移植物在结构和功能上与自然血管相似，能够有效地控制流体的单向流动，为深静脉替换提供了潜在的临床应用价值。

图3.3D打印水凝胶基功能性血管构建物及其体外功能

【3D打印水凝胶基构建物的表面功能化，提高了生物相容性】

图4描述了3D打印水凝胶基血管构建物的表面功能化及其生物相容性评估。研究者们通过在AP-PVA水凝胶表面引入含有Arg-Gly-Asp（RGD）肽的明胶（Gel-RGD），增强了血管内皮细胞（ECs）的粘附和增殖，从而提高了其内皮化潜力。通过细胞计数试剂盒-8（CCK-8）实验、蛋白质吸附测试、血小板粘附实验和溶血试验，评估了改性水凝胶的细胞相容性和血液相容性。结果表明，表面功能化的水凝胶显著提高了ECs的粘附，并且在体内外实验中显示出低血栓形成性。此外，通过免疫荧光染色和荧光显微镜观察，确认了水凝胶表面成功地促进了ECs和平滑肌细胞（HVSMCs）的粘附和正常表型表达。在体内实验中，将AP-PVA-G水凝胶片植入小鼠体内，观察到随着时间的推移，周围组织对水凝胶的炎症反应减少，表明了良好的生物相容性和潜在的长期稳定性。因此，通过表面功能化策略，AP-PVA水凝胶基血管构建物在促进内皮化和提高长期通畅性方面展现出了优异的性能。

图4. 3D打印水凝胶基构建物的表面功能化，提高了生物相容性

【3D打印水凝胶基BVVG在比格犬深静脉中的植入】

图5展示了3D打印水凝胶基仿生带瓣静脉移植物（BVVGs）在比格犬深静脉中的植入实验。研究者们通过端端缝合的方式将BVVGs植入比格犬的深静脉中，并利用术中静脉造影和术后超声成像技术验证了移植物的通畅性和瓣膜的功能。实验结果显示，植入后的BVVGs在血流方向正确时能够保持开放状态，允许血液顺利通过，而在血液反向流动时瓣膜能够关闭，有效阻止血液回流，证明了其在防止血液逆流方面的有效性。此外，植入一个月后的组织学检查和免疫荧光染色结果表明，BVVGs内壁有血管平滑肌细胞和内皮细胞的附着与增殖，表明了其促进内皮化和组织整合的潜力。

图5. 3D打印水凝胶基BVVG在比格犬深静脉中的植入

【小结】

该研究提出了一种通过数字光处理（DLP）3D打印技术制造基于聚乙烯醇（PVA）的前体墨水的水凝胶血管构建物的策略，并通过引入纳米晶体域显著增强了其韧性和强度，满足了血管构建物所需的高保真度、结构复杂性、机械鲁棒性和血液相容性。通过体外和体内研究，展示了这些功能性血管替代品在精细调节内部流动方面的潜力，尤其是在比格犬深静脉替换中使用的3D打印仿生带瓣静脉移植物。因此，这种3D打印水凝胶构建物在临床个性化血管移植和血管化器官构建研究中具有极大的应用前景，并且该设计和制造平台为创造各种人工组织和器官提供了更广阔的空间。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c08359

来源：BioMed科技