人口老龄化、不健康的生活习惯和意外的外部创伤往往会导致血管损伤和严重的并发症。当大面积血管损伤时，往往需要血管移植。理想的血管移植物是自体血管，但自体血管来源非常有限。一个有希望的解决方法是在体外构建人造血管并在体内移植。然而，模拟天然血管的复杂结构并在组织工程支架中构建血管网络现在仍然具有挑战性。

图1：通过结合3D打印和刺激响应水凝胶构建复杂血管网络

华南理工大学曹晓东教授、董华教授团队展示了一种新的通用策略，通过整合刺激响应水凝胶与3D打印技术，在异质多孔支架中制造独立的多分叉血管和复杂的血管网络。通过温度响应明胶的溶胶-凝胶转变和pH响应壳聚糖的两个物理交联网络之间的转换，可以构建生理稳定的明胶/壳聚糖水凝胶管；而3D打印赋予了在各种异质多孔支架中创建多分叉结构和互连网络的可行性，因此可以精确构建仿生多分叉血管(MFV)和含有多分叉血管的异质多孔支架(HPS-MFV)。制备的人造血管具有良好的生理稳定性、机械强度、半透性、血液相容性、细胞相容性和体内低炎症反应，并用于成功构建肝脏模型。该工作以题为“A versatile strategy to construct free-standing multi-furcated vessels and a complicated vascular network in heterogeneous porous scaffolds via combination of 3D printing and stimuli-responsive hydrogels”发表在《Materials Horizons》上。

【多分叉血管的制备及物理特性】

Gel/Chit-H+水凝胶拥有单一的明胶网络，但当硫酸盐扩散到网络中并静电交联阳离子壳聚糖链时，会出现第二个互穿网络，从而导致从热不稳定的Gel/Chit-H+水凝胶转变成热稳定凝胶Gel/Chit-H+-SO4。因此，通过将Gel/Chit-H+水凝胶长丝浸泡在硫酸盐溶液中以形成热稳定的Gel/Chit-SO4来构建中空水凝胶管壁，并通过热处理去除Gel/Chit-H+水凝胶核心，从而得到管状结构。浸泡时间越长，离子扩散距离越长，水凝胶壳越厚。这种形成机制适用于任意形状的中空Gel/Chit-H+-SO4水凝胶管，使得多叉管的构建成为可能。

图2：多分叉Gel/Chit-H+-SO4水凝胶管的制造

为了提高其稳定性，使用简单快速的碱处理将Gel/Chit-H+–SO4水凝胶转化为Gel/Chit0水凝胶，其中阳离子壳聚糖和硫酸根阴离子之间的静电交联由于壳聚糖在高pH条件下的去质子化而被破坏，取而代之的是在中性壳聚糖中构建的结晶网络。双分叉Gel/Chit0水凝胶管可以保持其管状形状完整性至少3个月。MFV经过10次拉伸/松弛循环后，应力-应变恢复曲线几乎没有变化。爆破压力随着硫酸盐浸泡时间的增加而上升，且小分子可以扩散穿过水凝胶管壁。

图3：Gel/Chit 0 MFV 的物理特性

【Gel/Chit0MFVs的生物学特性】

人脐静脉内皮细胞(HUVEC)和人血管平滑肌细胞(HVSMC)可以在MFV的管腔壁上快速附着和增殖。内膜中主要成分的HUVECs从各个方向均匀分布在管腔壁上，中膜中的主要成分HVSMCs也在管腔中保持良好的细胞形态。分析了与MFV孵育12小时和24小时的巨噬细胞中促炎细胞因子的基因表达，结果显示MFV不会激活巨噬细胞与诱导促炎因子的分泌。

图4：Gel/Chit0 MFV的细胞学特征

将家兔的颈动脉和颈静脉分离并与MFV的末端相连，形成动静脉体外回路。结果显示MFV具有良好的抗血栓形成能力。皮下植入后，30天后，MFVs仍保持完整结构，周围未见明显CD68表达，提示炎症反应基本消退。

图5：Gel/Chit0 MFV的离体和体内表征

【含有多分叉血管的异质多孔支架用于人工肝模型】

HPS-MFV是人造组织和器官的理想选择。一方面，多孔支架可以促进营养交换、细胞浸润和微血管形成。另一方面，中尺度MFVs可以加强人工组织/器官与宿主血管网络的连接，加速营养物质的运输和通过灌注清除代谢物。打印了具有肝脏形状的多孔PLA支架，然后构建了嵌入式3D Gel/Chit0 MFV网络。L02细胞在外部支架上生长良好，而HUVECs均匀地粘附在内部水凝胶管腔上，形成内皮化的单层

图6：HPS-MFV 作为人工肝模型的表征

【小结】

综上所述，该工作报告了一种通过集成3D打印和刺激响应水凝胶来构建独立MFV和HPS-MFV的多功能制造策略。Gel/Chit0水凝胶管具有良好的生理稳定性、机械强度、半透性、血液相容性、细胞相容性和体内低炎症反应。L02细胞和HUVECs在HPS-MFVs上的共培养表明肝脏模型的成功构建。作者认为MFV和真实血管之间的不同成分不会造成大问题，不仅因为它们与HUVEC和HVSMCs具有显着的细胞相容性，还因为它们的可生物降解性，这意味着它们最终可以在体内被新生的细胞外基质所取代。该方法提供了一种新的方法来实现独立的多分叉血管的稳健制造，有望用于组织工程和再生医学应用的多孔支架的预血管化。

来源：高分子科学前沿

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