華工施雪濤、南科大劉吉《ACS Nano》: 3D打印強韌PVA基水凝膠構建功能性血管結構
時間：2024-10-12 09:05 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
臨床上，人工血管移植物常被用于替代或修復發生病變、感染和創傷的血管。血管移植物通常需要具備與真實血管匹配的尺寸和結構、優良的機械性能以確保縫合植入，以及出色的血液相容性從而避免血栓產生。但人體中的血管系統錯綜復雜，包含很多尺寸微小、結構特異復雜的結構如分叉血管、互聯血管網和瓣膜等結構，這些拓撲結構對于血管功能的實現至關重要，而制備能夠復制天然血管復雜結構和功能的血管構建體，以滿足精準醫療和個性化醫療需求仍然是一個難點。
為了解決這一問題，華南理工大學施雪濤教授團隊聯合南方科技大學劉吉副教授團隊，通過聚乙烯醇（PVA）基墨水高保真數字光處理（DLP）3D打印水凝膠血管構建體，然后通過構建納米晶域進行機械強化，并結合后續表面改性，制備出了性能理想的水凝膠血管構建體，兼顧便利制備和存儲、優異的結構復雜度和保真度、生物安全性、機械適配性以及植入后短期和長期下的通暢性。制備出了一系列高復雜度的血管結構，包括分叉血管、小尺寸血管網、功能性肺血管芯片以及含精細瓣膜的靜脈血管移植物（BVVG），其中設計的BVVG在體外展示出優異的單向通過性能，并在植入比格犬體內后顯示出良好的功能性和通暢性，為嚴重深靜脈功能不全疾病的治療提供了解決方案。相關工作近日以“3D-Printed Hydrogels with Engineered Nanocrystalline Domains as Functional Vascular Constructs”發表在《ACS Nano》上。
在這項工作中，PVA由于分子鏈結構規則、柔韌，可通過結晶形成定制水凝膠的力學性能，此外，其羥基易于官能化修飾，結合其出色的生物安全性和抗血小板黏附性，使其成為制備具有所需性能的血管構建體的理想材料。化學改性得到PVAGMA水凝膠墨水被用于DLP打印，制備的血管結構使用梯度NaOH溶液浸泡處理以產生納米晶域，使得結構均勻收縮并獲得增強。以此方法可以制備出各種結構復雜的血管構建體，并且通過后續的表面修飾生物活性物質（含有RGD肽的明膠）賦予其體內內皮化潛力，而實現植入后避免急性血栓形成，并可原位內皮化賦予其長期通暢性。
高分子量PVA類型和高濃度的墨水被證明可以更大程度的形成結晶，從而獲得更強力學性能，但是也會導致高粘度，影響打印成功率和精度。為了獲得最佳的力學性能和打印分辨率，研究者首先對墨水的配比進行了篩選，最終確定使用45 kDa分子量PVA，9 wt%的墨水濃度以及1.0 mg/ml的檸檬黃的墨水配比。隨后，為確定最佳的結晶誘導策略，多種方法被用于處理打印得到的極小曲面結構，其中NaOH溶液處理方法可以同時獲得大幅的力學性能提升并且不會導致結構形變。XRD結果證實了水凝膠中的納米尺寸結晶域的存在。不同的堿溶液濃度可以獲得不同力學性能增強效果，而15 wt%的NaOH溶液處理下的水凝膠拉伸強度達到最高的1.05 MPa。水凝膠最佳的性能超過常見的3D打印水凝膠體系，并且模量與人胸內動脈接近。納米結晶域的存在賦予水凝膠優異的抗疲勞性能和抗缺口斷裂性能，這對于水凝膠血管的體內縫合植入應用十分有利。由此制備的水凝膠血管展示出優異的縫合線保持力，爆破壓和順應性，并且可以支持小分子溶質和氣體的擴散，而阻隔大分子蛋白的擴散。
隨后，研究者們使用最佳的制備方法制備出各種結構復雜的血管構建體，包括含有多分叉的主動脈弓、主動脈瓣膜，以及最小內徑0.75mm的血管網。構建了基于極小曲面結構，含有高接觸面積獨立兩相通道的功能性肺部芯片結構，兩相通道中灌注流體和氧氣可以實現流體中含氧量的提升。下肢靜脈結構損傷會導致慢性靜脈功能不全，血液反流嚴重，會進一步誘發下肢水腫、靜脈曲張、炎癥甚至血栓的發生，研究者開發了仿生含瓣膜靜脈血管移植物（BVVG），以填補當前相應領域人工血管的空白。數值模擬結果表明BVVG中的瓣膜可以隨著流體流動方向的改變有效張開和閉合。隨后的一系列體外灌注實驗均證明BVVG中的瓣膜具有優異的單向流體通過性，可有效阻止血液反流。并且，制備的BVVG可以模擬腿部肌肉泵血效應實現流體輸送。
制備的水凝膠血管結構進一步進行表面修飾，通過接枝明膠分子，可以有效提升內皮細胞黏附并且保持低血小板黏附和溶血率。兔頸動-靜脈灌流實驗顯示水凝膠血管在體內短期內具有較低的致血栓性。細胞實驗和皮下實現證明水凝膠血管具有優異的生物安全性。
為驗證制備的水凝膠血管的體內應用前景，選擇BVVG在比格犬體內深靜脈處進行植入，以驗證BVVG在替代病變深靜脈上的潛力。確定目標部位血管尺寸后，制備尺寸相仿的BVVG通過縫合植入到深靜脈中，然后再植入后分別于血管下方和上方注射造影劑進行順行和逆行靜脈造影。造影結果顯示出植入血管后造影劑可以順向通暢流過，而逆向則被瓣膜阻止，表明BVVG在體內應用環境下保持有效的單向通過性。隨后的B超和免疫熒光結果表明，BVVG在植入一個月后保持通暢并且具有內皮化趨勢，具有長期通暢性潛力。
小結：這項工作通過三維打印結合結晶后處理來制備性能優異的水凝膠基血管構建體，制備的血管構建體充分復制了體內血管的復雜結構和功能，特別的，含瓣膜靜脈血管移植物在體外和體內展示出色的單向通過性能，有望應用于嚴重的深靜脈疾病治療。總之，開發的3D打印水凝膠體系在臨床個性化血管移植和血管化器官構建研究中大有可為，為創造各種人工組織和器官植入提供了潛在的拓展空間。文章第一作者為華南理工大學材料科學與工程學院施雪濤教授課題組博士生葉潭，南方醫科大學柴牧原、華南理工大學王振興、南方醫科大學邵婷如為本文共同第一作者。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c08359
為了解決這一問題，華南理工大學施雪濤教授團隊聯合南方科技大學劉吉副教授團隊，通過聚乙烯醇（PVA）基墨水高保真數字光處理（DLP）3D打印水凝膠血管構建體，然后通過構建納米晶域進行機械強化，并結合后續表面改性，制備出了性能理想的水凝膠血管構建體，兼顧便利制備和存儲、優異的結構復雜度和保真度、生物安全性、機械適配性以及植入后短期和長期下的通暢性。制備出了一系列高復雜度的血管結構，包括分叉血管、小尺寸血管網、功能性肺血管芯片以及含精細瓣膜的靜脈血管移植物（BVVG），其中設計的BVVG在體外展示出優異的單向通過性能，并在植入比格犬體內后顯示出良好的功能性和通暢性，為嚴重深靜脈功能不全疾病的治療提供了解決方案。相關工作近日以“3D-Printed Hydrogels with Engineered Nanocrystalline Domains as Functional Vascular Constructs”發表在《ACS Nano》上。
在這項工作中，PVA由于分子鏈結構規則、柔韌，可通過結晶形成定制水凝膠的力學性能，此外，其羥基易于官能化修飾，結合其出色的生物安全性和抗血小板黏附性，使其成為制備具有所需性能的血管構建體的理想材料。化學改性得到PVAGMA水凝膠墨水被用于DLP打印，制備的血管結構使用梯度NaOH溶液浸泡處理以產生納米晶域，使得結構均勻收縮并獲得增強。以此方法可以制備出各種結構復雜的血管構建體，并且通過后續的表面修飾生物活性物質（含有RGD肽的明膠）賦予其體內內皮化潛力，而實現植入后避免急性血栓形成，并可原位內皮化賦予其長期通暢性。
高分子量PVA類型和高濃度的墨水被證明可以更大程度的形成結晶，從而獲得更強力學性能，但是也會導致高粘度，影響打印成功率和精度。為了獲得最佳的力學性能和打印分辨率，研究者首先對墨水的配比進行了篩選，最終確定使用45 kDa分子量PVA，9 wt%的墨水濃度以及1.0 mg/ml的檸檬黃的墨水配比。隨后，為確定最佳的結晶誘導策略，多種方法被用于處理打印得到的極小曲面結構，其中NaOH溶液處理方法可以同時獲得大幅的力學性能提升并且不會導致結構形變。XRD結果證實了水凝膠中的納米尺寸結晶域的存在。不同的堿溶液濃度可以獲得不同力學性能增強效果，而15 wt%的NaOH溶液處理下的水凝膠拉伸強度達到最高的1.05 MPa。水凝膠最佳的性能超過常見的3D打印水凝膠體系，并且模量與人胸內動脈接近。納米結晶域的存在賦予水凝膠優異的抗疲勞性能和抗缺口斷裂性能，這對于水凝膠血管的體內縫合植入應用十分有利。由此制備的水凝膠血管展示出優異的縫合線保持力，爆破壓和順應性，并且可以支持小分子溶質和氣體的擴散，而阻隔大分子蛋白的擴散。
隨后，研究者們使用最佳的制備方法制備出各種結構復雜的血管構建體，包括含有多分叉的主動脈弓、主動脈瓣膜，以及最小內徑0.75mm的血管網。構建了基于極小曲面結構，含有高接觸面積獨立兩相通道的功能性肺部芯片結構，兩相通道中灌注流體和氧氣可以實現流體中含氧量的提升。下肢靜脈結構損傷會導致慢性靜脈功能不全，血液反流嚴重，會進一步誘發下肢水腫、靜脈曲張、炎癥甚至血栓的發生，研究者開發了仿生含瓣膜靜脈血管移植物（BVVG），以填補當前相應領域人工血管的空白。數值模擬結果表明BVVG中的瓣膜可以隨著流體流動方向的改變有效張開和閉合。隨后的一系列體外灌注實驗均證明BVVG中的瓣膜具有優異的單向流體通過性，可有效阻止血液反流。并且，制備的BVVG可以模擬腿部肌肉泵血效應實現流體輸送。
制備的水凝膠血管結構進一步進行表面修飾，通過接枝明膠分子，可以有效提升內皮細胞黏附并且保持低血小板黏附和溶血率。兔頸動-靜脈灌流實驗顯示水凝膠血管在體內短期內具有較低的致血栓性。細胞實驗和皮下實現證明水凝膠血管具有優異的生物安全性。
為驗證制備的水凝膠血管的體內應用前景，選擇BVVG在比格犬體內深靜脈處進行植入，以驗證BVVG在替代病變深靜脈上的潛力。確定目標部位血管尺寸后，制備尺寸相仿的BVVG通過縫合植入到深靜脈中，然后再植入后分別于血管下方和上方注射造影劑進行順行和逆行靜脈造影。造影結果顯示出植入血管后造影劑可以順向通暢流過，而逆向則被瓣膜阻止，表明BVVG在體內應用環境下保持有效的單向通過性。隨后的B超和免疫熒光結果表明，BVVG在植入一個月后保持通暢并且具有內皮化趨勢，具有長期通暢性潛力。
小結：這項工作通過三維打印結合結晶后處理來制備性能優異的水凝膠基血管構建體，制備的血管構建體充分復制了體內血管的復雜結構和功能，特別的，含瓣膜靜脈血管移植物在體外和體內展示出色的單向通過性能，有望應用于嚴重的深靜脈疾病治療。總之，開發的3D打印水凝膠體系在臨床個性化血管移植和血管化器官構建研究中大有可為，為創造各種人工組織和器官植入提供了潛在的拓展空間。文章第一作者為華南理工大學材料科學與工程學院施雪濤教授課題組博士生葉潭，南方醫科大學柴牧原、華南理工大學王振興、南方醫科大學邵婷如為本文共同第一作者。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c08359
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