3D生物打印之人造“脑梗”！Adv Funct Mater｜给血管造个“仿生病灶”，看看发炎真相

在全球健康杀手排行榜上，心脑血管疾病常年稳居前列，而脑部血管狭窄更是引发中风、动脉粥样硬化等重症的 “隐形炸弹”。我们常说 “血管年轻人就年轻”，可一旦血管变窄、血流不畅，内皮细胞的炎症反应便悄然启动，最终可能演变为致命病变。传统研究依赖动物模型或二维细胞培养，难以还原真实人体血管中复杂的血流环境与细胞响应——比如动物血管的解剖结构与人类存在差异，二维培养无法模拟血管的三维管状结构和血流剪切力的空间分布。

那么，有没有一种方法能在实验室里“打印”出一条带狭窄结构的 “活血管”，实时观察血流如何“惹怒”内皮细胞？

近日，发表在

Advanced Functional Materials

一、生物墨水的“硬核升级”

要打印出能“工作”的血管，首先得有合适的“墨水”。研究团队将目光投向了猪主动脉——猪的血管结构与人类相似度高，且来源丰富。他们通过物理化学方法对猪主动脉进行去细胞化处理，提取出血管细胞外基质（VdECM）。这种 VdECM 保留了血管特有的生物活性成分，如胶原蛋白、弹性蛋白和糖胺聚糖（GAGs），但去除了会引发免疫反应的细胞成分（DNA 残留量仅 17.81±2.25 ng/mg，远低于 50 ng/mg 的安全阈值）。

不过，单纯的 VdECM 有个短板：机械性能较弱，打印后容易收缩或塌陷。为此，研究团队进行了“材料升级”——将 VdECM 与胶原蛋白、海藻酸钠复合，开发出一种混合生物墨水（Hybrid Bioink）。胶原蛋白能增强结构稳定性，减少收缩；海藻酸钠则能通过钙离子快速离子交联，像“速干水泥”一样让打印的血管瞬间定型。

这种升级效果显著：混合生物墨水的动态模量（反映材料抵抗变形的能力）较单纯 VdECM 提升了约 65 倍，完美解决了传统 ECM 材料 “软塌塌” 的问题。流变学测试还显示，它具有“剪切稀化”特性——在打印时（高剪切力下）会变稀，便于挤出；打印后（低剪切力下）又能恢复固态，保证血管形态稳定。更重要的是，它对细胞友好：包裹在内的内皮细胞存活率始终保持在 95% 以上，为血管“活起来”奠定了基础。

利用三维浴内同轴生物打印技术制造狭窄脑血管模型的集成方法

二、5 分钟“造”出带狭窄的血管

有了合适的墨水，下一步是 “精准制造”。研究团队采用 “浴内 3D 同轴生物打印” 技术，用一个特殊的同轴喷嘴完成血管的 “一次成型”：喷嘴外层挤出混合生物墨水（形成血管壁），内层挤出含钙离子的 Pluronic F127（一种可降解材料，作为临时 “支架”）。打印完成后，溶解掉内层材料，就形成了中空的血管 lumen（管腔）。

为了模拟血管狭窄，团队通过控制打印平台的移动速度实现 “按需变径”：当速度从 400 mm/min 提升到 1200 mm/min 时，血管内径从 1340 μm 缩小到 551 μm；若瞬间将速度提至 3600 mm/min，就能造出局部狭窄的区域（类似动脉粥样硬化的斑块凸起）。搭配 23 号核心喷嘴和 17 号外壳喷嘴，以及精准调控的气压（外壳 500 kPa、核心 35 kPa），最终打印出的血管直径稳定在 250–500 μm，与人类脑部微血管尺寸高度匹配。

整个过程不到 5 分钟，就能造出一条可灌注的血管模型—— 这比传统多层构建方法高效得多，且能保证管腔的连续性和结构完整性。用荧光微球灌注测试显示，墨水打印的血管没有漏液或堵塞，血流能顺畅通过狭窄区域，为后续的 “血流模拟” 做好了准备。

三、让血管 “活起来”

打印出的血管不仅要 “像” 血管，更要 “是” 血管。研究团队将两种内皮细胞——人脐静脉内皮细胞（HUVECs）和人脑微血管内皮细胞（HBMECs）种植到血管内壁，在定制的培养芯片中进行动态培养（通过泵系统模拟血流）。

7 天后，奇迹发生了：内皮细胞在血管内壁形成了连续的单层，像 “瓷砖” 一样紧密排列。免疫荧光染色显示，它们表达了 CD31（血管内皮标记）、ZO-1 和 VE - 钙粘蛋白（细胞间连接蛋白），说明血管屏障功能已形成。 permeability 测试进一步证实，HBMECs 形成的屏障最 “严密”——70 kDa 的荧光 dextran（一种大分子物质）通过速度仅 3.93±0.13 μm/min，接近真实脑部血管的屏障特性（血脑屏障）。

更关键的是，这些 “活血管” 能对血流做出反应。研究团队用计算流体力学（CFD）模拟发现，狭窄区域会出现 “紊乱流”—— 流速忽快忽慢，剪切应力骤降（从正常区域的约 4.7 Pa 降至狭窄处的 0 Pa 附近）。而实际灌注实验中，荧光微球的运动轨迹完美印证了这一模拟结果。

四、验证 “炎症链条”

有了能 “感受” 血流的活血管，研究团队终于能验证核心假设：狭窄引发的紊乱流是否会诱发内皮炎症？

结果清晰且有力：在狭窄区域，内皮细胞的炎症标志物 ICAM-1 和 VCAM-1 表达量显著上升 ——ICAM-1 较正常血管区域增加约 2.2 倍，VCAM-1 增加约 1.5 倍。这两种分子就像 “炎症信号旗”，会吸引免疫细胞黏附到血管壁，正是动脉粥样硬化等疾病的早期特征。

这一结果意义重大：它在体外模型中首次完整再现了 “血管狭窄→血流紊乱→内皮炎症” 的因果链条，证明了血流动力学变化是诱发血管病变的关键推手，而非单纯的 “结构异常”。

五、不只是 “打印血管”，

而是构建 “疾病实验室”

这项研究的价值远不止 “造出一条血管”。与传统技术相比，它的优势在于：

●更高的生理相关性：相比微流控芯片（通道尺寸固定，难模拟复杂狭窄），3D 打印的血管可灵活调整直径和狭窄程度，能覆盖更广泛的血流动力学场景（如不同程度的动脉粥样硬化）；

●更强的生物活性：基于 VdECM 的墨水保留了血管特有的生化信号，比合成材料更能支持内皮细胞的自然行为；

●更全面的可操作性：既能观察细胞形态变化，又能检测分子表达，还能通过调整流速、狭窄程度进行 “变量控制实验”。

当然，研究仍有提升空间：目前的模型未包含血管壁的平滑肌细胞和免疫细胞，难以模拟完整的血管壁结构和全身免疫反应；去细胞化过程的批次差异可能影响结果稳定性。未来，结合器官芯片技术、引入更多细胞类型，或能进一步提升模型的复杂性。

但不可否认，这项技术为脑血管疾病研究打开了新大门。或许在不久的将来，医生可以用患者自身细胞 “打印” 出血管模型，测试哪种药物能最有效抑制炎症；工程师可以通过它优化血管支架的设计，减少植入后的血流扰动。

从“猪主动脉”到“人体血管副本”，从“静态结构”到“动态响应”，这项研究让我们看到：生物制造的浪漫，不仅在于“造出生命”，更在于让我们能更温柔、更精准地对抗疾病。而这，正是科技献给健康的最好礼物。

参考资料：

[1]Wonbin Park, Min-Ju Choi, Jae-Seong Lee, et al. Embedded 3D‐Coaxial Bioprinting of Stenotic Brain Vessels with a Mechanically Enhanced Extracellular Matrix Bioink for Investigating Hemodynamic Force‐Induced Endothelial Responses, Advanced Functional Materials (2025). DOI:10.1002/adfm.202504276.

来源 | 生物谷

撰文 | 生物谷

编辑 | 木白

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