《Science》：投影式光固化3D打印复杂血管网络和肺泡

这项研究探讨了在水凝胶中创建复杂的生物血管网络的方法，这对生物材料和组织工程领域的进步具有重大意义。通过数学空间填充和分形拓扑算法，研究人员成功设计了复杂的血管图蓝图，并展示了各种不同的3D数学算法创建的复杂水凝胶模型。

实体器官通过独特的血管网络运输液体，这些网络在生物物理和生物化学上交织在一起，形成复杂的3D运输系统，这种系统一直难以制造和研究。来自莱斯大学的Jordan S. Miller团队的Bagrat Grigoryan等通过使用食品染料添加剂作为生物相容性强的光吸收剂进行投影光固化3D打印，并使用可光聚合的水凝胶，实现了血管内和多血管设计的自由度。

作者展示了在几分钟内生成的，含有高效的血管内3D液体混合器和功能性双尖瓣的一体式透明水凝胶。作者利用填充空间的数学拓扑结构进一步建立了交织的血管网络，并探索了在潮汐通气和扩张近端气道时人类红细胞的氧合和流动。

此外，作者在慢性肝损伤的啮齿动物模型中部署了结构化的生物可降解水凝胶载体，以强调这种材料创新的潜在转化效用。循环系统和肺部系统的形态在物理上和进化上是紧密相关的。在呼吸空气的脊椎动物中，这些血管拓扑结构相互作用，以实现整个生物体的氧气依赖型呼吸。

为了构建并研究包含这种仿生多血管结构的软水凝胶，作者采用了投影式光固化3D打印，这种技术常用于将光敏液态树脂高效地转变为结构化的部件。相比于挤出式3D打印，光固化能通过图像投影并行处理数百万像素。

在没有合适的光吸收剂添加剂的情况下，软水凝胶的3D光图案化在可生成的图案类型方面受到限制，或者需要复杂、昂贵和低通量的显微镜来通过多光子效应提高Z轴分辨率。常见的光阻化学品，如苏丹I，具有已知的遗传毒性和致癌性，不适合用于生物制造。作者证实，食品工业广泛使用的合成和天然食品染料可以作为强效的生物兼容光吸收剂，以实现含有复杂和功能性血管结构的水凝胶的制造。

作者最初尝试生成主要由水和PEGDA组成的一体式水凝胶，有一个1毫米的垂直于光投影轴的圆柱形通道。由于这种水溶液配方的稀释性质，这些被设计成中空的可灌注血管的微小空隙很难被实现。作者发现含有柠檬黄（黄色食品色素）、姜黄素（来自姜黄）或花青素（来自蓝莓）的预水凝胶水溶液可以分别产生具有血管的水凝胶。除了这些有机分子外，广为人知的具有生物相容性和光衰减属性的无机金纳米颗粒（50 nm）也可作为有效的光吸收添加剂，生成可灌注的水凝胶。

为了了解这些光吸收剂是如何影响可光聚合水凝胶的凝胶化动力学的，作者用短时间的光照射进行了光流变学表征，这表明这些添加剂在诱导光交联时造成了剂量依赖性的延迟。超过反应终止点的饱和光照射表明，合适的添加剂最终没有干扰反应，因为水凝胶最终达到了与添加剂浓度无关的同等储能模量。作者进一步研究了光吸收剂柠檬黄。除了它在人类中的低毒性和在食品工业中的广泛用途，作者观察到这种亲水性染料很容易从生成的水凝胶中洗出，构成几乎透明的适合成像的结构。

作者评估了这种材料的是否可以类似地给更先进的光活性材料带来新的制造自由度。光吸收剂添加剂对于在硫醇－烯类阶段生长光聚合生成水凝胶，以及在连续液界面生产生成水凝胶的流程中构建血管都是必要且充足的。作者观察到相邻的制造层之间有强烈层压，并且发现模式化水凝胶对机械变形有快速反应。表明在生成复杂的血管拓扑结构方面具有广泛设计灵活性，并且由此产生的水凝胶的光学清晰度意味着成像方法适用于流体的表征和验证。

接下来，作者研究了形成含有功能性血管内拓扑结构的水凝胶的能力。为此，作者生成了一体式水凝胶，其内含一个由交替旋转的3D扭曲鳍片组成的集成静态混合器。作者在低雷诺数（0.002）下将层状流体应用于静态混合器，并观察到在单位长度内的快速混合（图1A）。PEG基水凝胶的弹性和顺应性使得3D功能双尖静脉瓣的生成变得容易（图1B）。

作者发现，数学空间填充和分形拓扑算法提供了一种有效的参数化语言来设计复杂的血管蓝图，以及一种数学手段来设计第二个不与第一个相交的血管结构（图2）。作者展示了基于3D数学算法（图2，A至D）的含有交错的血管网络的水凝胶的选择。用彩色染料灌注和μCT分析证明了这两个网络之间的模式保真度、血管通畅性和流体独立性（图2，A至D）。

其次，作者通过测量氧气从供应管道到相邻3D拓扑结构中的人类红血细胞的传递效率来评估血管间的运输效率。作者还模仿肺部末梢的结构特征，构建具有肺泡形态和氧气传输的生物模型。开发了包含分支网络并能在循环通气过程中支持机械膨胀的3D水凝胶，可用来研究真实肺部的结构性能。

作者开发了由Weaire-Phelan泡沫拓扑结构的3D拼图组成血管的肺泡模型（图3）。作者以5pl的体素分辨率和1小时的打印时间打印了带有肺泡模型拓扑结构的水凝胶（图3B）。数据表明，分支拓扑结构、水凝胶膨胀和通气过程中液体流的重新定向可能会促进血管内的混合，并加速红血细胞的氧摄取效率。实现了在完全定义和生物兼容的材料和环境中模拟哺乳动物肺部血管收缩的液体控制机制。

作者进一步探讨了为实现可扩展的肺部模拟设计的方法。作者使用定制的组织工程立体光刻设备（SLATE）来展示含有哺乳动物细胞的组织结构的生产。作者将原代人类间充质干细胞（hMSCs）置于SLATE中，并显示圆柱形制造的水凝胶内的细胞保持活力并可进行成骨分化。SLATE可以进行快速的生物制造，保持哺乳动物细胞系的活力，维持原始人类干细胞的正常功能和分化，并可探索干细胞分化作为通过血管灌注的可溶性因子输送的功能。

最后，他们将这一过程应用于复杂和功能性组织的制造，尤其是用于治疗移植的肝脏，这是人体中最大的实体器官，其拓扑结构被认为对其完成数百个重要任务至关重要。他们使用SLATE创造了多材料肝脏组织的复杂结构特征，这为组织工程领域中的预临床研究进步提供了一种解决方法（图4A-C）。与含有单细胞的植入组织相比，装载有细胞剧团的组织载体的白蛋白促进剂活性增强了60倍以上（图4B，C）。在慢性肝损伤的小鼠中移植14天后，肝水凝胶载体表现出白蛋白启动器的活性，表明有功能性肝细胞存活（图4F）。

作者确定了可以作为有效的光吸收剂的食物染料，其生物相容性和细胞相容性可用于生产含有功能性血管拓扑结构的水凝胶。以此，可以研究流体混合器、阀门、血管间运输、营养输送和宿主移植。通过作者的立体光刻工艺，有潜力同时对组织结构和生物材料进行正交控制，以设计再生组织。

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