导读：新的3D打印方法在心脏组织中创建分支血管，可在体外复制人体血管结构。

Co-SWIFT血管内嵌入活体平滑肌细胞和内皮细胞，在体外复制人体血管的结构

在体外培育功能性人体器官是器官移植医学领域长期以来寻求的“圣杯”，但至今仍未实现。哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院(SEAS) 和威斯仿生工程研究所的最新研究使这一探索更接近完成。

一个科学家团队发明了一种新方法，可以3D打印血管网络，这种血管网络由相互连接的血管组成，血管具有独特的“外壳”，由平滑肌细胞和内皮细胞组成，围绕着一个空心“核心”，液体可以通过这个“核心”流动，嵌入人体心脏组织内。这种血管结构与自然血管的结构非常相似，代表着在制造可植入人体器官方面取得了重大进展。这一成果发表在《先进材料》杂志上。

“在之前的工作中，我们开发了一种新的3D生物打印方法，称为‘功能组织中的牺牲性书写’（SWIFT），用于在活细胞基质内形成空心通道图案。在此基础上，我们在此方法的基础上引入了同轴 SWIFT（co-SWIFT），它重现了天然血管中的多层结构，使其更容易形成互连的内皮，并且更坚固以承受血流的内部压力，”第一作者Paul Stankey说道，他是SEAS生物工程博士生，与共同资深作者Jennifer Lewis的实验室合作，Jennifer Lewis 是SEAS生物启发工程Hansjorg Wyss教授，也是Wyss核心教员。

该团队开发的关键创新是一种独特的芯壳喷嘴，它具有两个独立可控的流体通道，用于构成打印血管的“墨水”：基于胶原蛋白的壳墨水和基于明胶的核心墨水。喷嘴的内部核心腔略微延伸到壳腔之外，因此喷嘴可以完全刺穿先前打印的血管，以创建互连的分支网络，通过灌注为人体组织和器官提供足够的氧气。通过改变打印速度或墨水流速，可以在打印过程中改变血管的大小。

为了确认新的co-SWIFT方法有效，该团队首先将多层血管打印到透明颗粒状水凝胶基质中。接下来，他们将血管打印到最近创建的uPOROS基质中，该基质由多孔胶原基材料组成，可复制活体肌肉组织的致密纤维结构。他们能够在这两种无细胞基质中成功打印分支血管网络。打印这些仿生血管后，加热基质，导致基质和壳墨水中的胶原蛋白交联，牺牲明胶芯墨水融化，使其易于去除，从而形成开放、可灌注的血管系统。

团队转向更加生物相关的材料，使用注入平滑肌细胞 (SMC) 的贝壳墨水重复打印过程，平滑肌细胞构成了人体血管的外层。在融化明胶核心墨水后，他们将构成人体血管内层的内皮细胞 (EC) 灌注到血管系统中。灌注七天后，SMC和EC都活着并发挥血管壁的作用 - 与没有EC的血管相比，血管的通透性降低了三倍。

最初的SWIFT方法（左）通过活体OBB（绿色）打印出空心通道，但没有结构来容纳流过的液体。Co-SWIFT（右）在通道周围形成了一个充满细胞的血管（红色），将血流与组织隔离开来，提高了细胞的活力

最后，他们准备在活体人体组织内测试他们的方法。他们构建了数十万个心脏器官构建块 (OBB) - 跳动的人类心脏细胞的微小球体，这些细胞被压缩成致密的细胞基质。接下来，他们使用co-SWIFT在心脏组织中打印了一个仿生血管网络。最后，他们去除牺牲核心墨水，并通过灌注将EC接种到载有SMC的血管内表面，并评估其性能。

这些打印的仿生血管不仅显示出人体血管特有的双层结构，而且在用模拟血液的液体灌注五天后，心脏OBB开始同步跳动 - 表明心脏组织健康且功能正常。这些组织还对常见的心脏药物有反应 - 异丙肾上腺素使它们跳动更快，而布雷比他汀则阻止它们跳动。该团队甚至将真实患者左冠状动脉的分支血管模型3D打印成OBB，展示了其在个性化医疗方面的潜力。

刘易斯说：“我们能够根据真实患者的数据成功3D打印左冠状动脉血管模型，这证明了co-SWIFT在创建针对特定患者的血管化人体器官方面的潜在效用。”

在未来的工作中，刘易斯团队计划生成自组装毛细血管网络，并将其与3D打印的血管网络相结合，以在微观尺度上更全面地复制人体血管结构，并增强实验室培育组织的功能。

该论文的其他作者包括Katharina Kroll、Alexander Ainscough、Daniel Reynolds、Alexander Elamine、Ben Fichtenkort和Sebastien Uzel。这项工作得到了Vannevar Bush教师奖学金计划的支持，该计划由国防部研究与工程助理部长基础研究办公室通过海军研究拨款办公室N00014-21-1-2958赞助，并由美国国家科学基金会通过CELL-MET ERC（#EEC-1647837）赞助。