愛丁堡大學(xué)開發(fā)3D打印人工血管，用于改善心血管疾病治療效果

2024年7月29，南極熊獲悉，來自愛丁堡大學(xué)與赫瑞瓦特大學(xué)的研究人員利用一種名為混合擠壓打印和電紡絲技術(shù)開發(fā)了新型3D 打印血管，旨在取代目前手術(shù)中使用的人體和合成靜脈，用于改變血液流動路線。

△3D 打印血管。圖片來源：愛丁堡大學(xué) Norbert Radacsi 博士。

這項研究以題為“Fabrication of a Compliant VascularGraft Using Extrusion Printing and Electrospinning Technique/利用擠壓打印和靜電紡絲技術(shù)制造順應(yīng)性血管移植物”的論文發(fā)表在《Advanced Materials Technologies》期刊上。

相關(guān)論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202400224

心血管疾病仍然是全球主要的死亡原因，因此小直徑血管移植物在治療心血管疾病方面需求量很大。最突出的心血管疾病包括冠狀動脈疾病、外周動脈疾病和腹主動脈瘤。通常進行血管重建手術(shù)（或搭橋手術(shù)），使用血管導(dǎo)管重新引導(dǎo)受影響或阻塞動脈周圍的血流。自體移植物，例如隱靜脈、乳內(nèi)動脈和橈動脈，仍然是搭橋手術(shù)的黃金標(biāo)準(zhǔn)，但失敗率很高，并且移植物采集經(jīng)常導(dǎo)致供體部位發(fā)病率。此外，這些自體移植物在尺寸或機械性能方面很少是最佳的。大多數(shù)由合成材料（例如 Dacron 和 ePTFE）制成的市售移植物適用于大直徑動脈（>6 毫米）。然而，當(dāng)用來替代小直徑動脈時，它們常常會因感染和內(nèi)膜增生而失敗。

為此，愛丁堡大學(xué)開發(fā)了一種制造雙層血管移植物的新方法。研究人員采用了一種混合生物打印和靜電紡絲裝置，制造出來表現(xiàn)出接近天然動脈的生物力學(xué)特性的分層移植物。

據(jù)愛丁堡大學(xué)稱，3D 打印血管與人體靜脈的特性非常相似，有望徹底改變心血管疾病的治療方法。這些堅固、柔韌、凝膠狀的管子采用新型 3D 打印技術(shù)制造而成，可以取代目前手術(shù)中用于改變血流方向的人體和人造靜脈，從而顯著改善心臟搭橋手術(shù)患者的治療效果。

人造血管的開發(fā)有助于減少在搭橋手術(shù)中切除人體靜脈時產(chǎn)生的疤痕、疼痛和感染風(fēng)險，每年英國大約有 20,000 例此類手術(shù)。此外，這些產(chǎn)品有助于緩解小型人造移植物失敗的風(fēng)險，因為這些移植物很難融入人體。

在人工血管的制造過程中，愛丁堡大學(xué)工程學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)的研究小組利用集成在 3D 打印機中的旋轉(zhuǎn)主軸，從水基凝膠中制造出管狀移植物。然后使用靜電紡絲技術(shù)對打印的移植物進行加固，靜電紡絲技術(shù)利用高壓拉出非常細的納米纖維 - 將可生物降解的聚酯分子包裹在人造血管中。機械性能和生物性能測試表明，最終產(chǎn)品與天然血管一樣堅固。

△圖1 纖維增強型 gelMA 移植物制造概述。a) 纖維增強型 gelMA 結(jié)構(gòu)制造步驟示意圖。b) 混合印刷和電紡裝置。c) 全長血管移植物。d) 電紡納米纖維增強型制造的 gelMA 移植物（比例尺：15 毫米）。e) 使用鑷子完全壓縮的移植物（比例尺：2 毫米）的自發(fā)熒光圖像，f) 移除鑷子上的力后完全恢復(fù)的移植物結(jié)構(gòu)（比例尺：2 毫米）。g) 制造的血管移植物橫截面的數(shù)字圖像，顯示內(nèi)部 gelMA 層和外部電紡纖維層（比例尺：0.4 毫米）。

△圖2 血管移植物的爆破壓力和柔順性測量。a) 定制 Instron 3367 萬能試驗機的照片。b) 爆破壓力測試的測試臺。c) 爆破壓力測試期間的纖維增強 gelMA 移植。d) 爆破壓力測試后移植失敗。e) 移植柔順性測量裝置的示意圖。f) 柔順性測量裝置的照片。g) 柔順性測試期間，在 150 mmHg 壓力下由 75/25 PCL/PLCL 電紡納米纖維增強的 10% gelMA 結(jié)構(gòu)。

△圖3 gelMA水凝膠的流變特性和纖維增強 gelMA 移植物的拉伸測試。a)26°C 下 gelMA 水凝膠的粘度隨剪切速率的變化。b)22、24 和 26°C 下 7.5% gelMA 的粘度隨剪切速率的變化。c) 26°C 下 gelMA 水凝膠的儲能和損耗模量隨角頻率的變化。纖維增強 d) 7.5%、e) 10% 和 f) 12% gelMA 移植物的圓周應(yīng)力-應(yīng)變曲線。纖維增強 g) 7.5%、h)10% 和 i) 12% gelMA 移植物的縱向應(yīng)力-應(yīng)變曲線。j) 纖維增強 gelMA 移植物的圓周方向楊氏模量。 k) 纖維增強 gelMA 移植物在縱向的楊氏模量。l) 纖維增強 gelMA 移植物周向強度。m) 纖維增強 gelMA 移植物縱向強度（***，p < 0.0001；**，p  < 0.001；*，p < 0.05；NS，不顯著）。

△圖4 纖維增強 gelMA 移植物的爆破壓力和順應(yīng)性數(shù)據(jù)。a) PCL/PLCL 纖維增強 gelMA 移植物的爆破壓力，綠色虛線顯示小直徑動脈的平均爆破壓力(***，p  < 0.001；**，p < 0.01；*，p  < 0.05)。b) 7.5%、c) 10% 和 d) 12% PCL/PLCL 纖維增強 gelMA 移植物的順應(yīng)性。e) 在80–120 mmHg 壓力范圍內(nèi)，天然肌性動脈與具有 100/0 PCL/PLCL 纖維增強的 gelMA 移植物的順應(yīng)性比較，綠色虛線顯示小直徑血管移植物的目標(biāo)順應(yīng)性值。 f) 在 80–120 mmHg 壓力范圍內(nèi)，天然彈性動脈與具有 75/25 PCL/PLCL 纖維增強的 gelMA 移植物的順應(yīng)性比較。

△圖5 纖維增強 gelMA 接枝物的微觀結(jié)構(gòu)和電紡納米纖維的潤濕性。a) 雙層纖維增強 gelMA 結(jié)構(gòu)的 SEM 圖像（比例尺：250 µm）。100/0 PCL/PLCL 電紡納米纖維的 SEM 圖像，放大倍數(shù)為 b) ×500、c) ×2500、d) ×6000。75/25PCL/PLCL 電紡納米纖維的 SEM 圖像，放大倍數(shù)為e) ×500、f) ×2500、g) ×6000。50/50 PCL/PLCL 電紡納米纖維的 SEM 圖像，放大倍數(shù)為 h) ×500、i) ×2500、j)×6000（比例尺：20 µm）。 k）水接觸角條形圖（***，p < 0.001；*，p  < 0.05），其中包含每種情況下的典型水滴圖像。

△圖6  gelMA 和 PCL/PLCL 電紡纖維的細胞相容性分析。a) 評估 72 小時內(nèi) gelMA 圓盤上的 HUVEC 活力。*** p  ≤ 0.001。b) 在玻璃和 gelMA 上培養(yǎng)的 HUVEC 的代表性免疫熒光圖像，染色為 VE-cadherin（綠色）和 DAPI（藍色），（比例尺：50 µm）。c) 暴露于電紡纖維浸泡培養(yǎng)基的 HUVEC 活力；支架在培養(yǎng)基中孵育 6 天和 12 天。* p ≤ 0.05，** p ≤ 0.01，*** p ≤ 0.001，NS 不顯著。

3D 移植物的厚度范圍為直徑 1 至 40 毫米，可滿足各種應(yīng)用需求。它們的靈活性意味著它們可以輕松融入人體。研究的下一階段將涉及研究這些血管在動物身上的使用情況，與愛丁堡大學(xué)的羅斯林研究所合作，隨后進行人體試驗。

愛丁堡大學(xué)工程學(xué)院的主要作者 Faraz Fazal 博士說：“我們的混合技術(shù)為組織工程中管狀結(jié)構(gòu)的制造開辟了新的和令人興奮的可能性�！�

愛丁堡大學(xué)工程學(xué)院首席研究員 Norbert Radacsi 博士說：“我們的研究成果解決了血管組織工程領(lǐng)域長期存在的挑戰(zhàn)——生產(chǎn)出一種具有與人類靜脈相似的生物力學(xué)特性的導(dǎo)管。有了持續(xù)的支持和合作，改善心血管疾病患者治療方案的愿景可能會成為現(xiàn)實�！�