Small:体外组织器官工程化的技术瓶颈——水凝胶材料内的血管构建术的研究进展

组织工程是一门旨在实现体外仿生组织构建的多领域交叉学科。血管是所有器官系统最重要的特征之一。血管系统分布在全身各处,负责运输氧气、营养物质、生长因子和细胞,并清除废物。因为扩散限制,体内细胞多存在于距离血管小于200 µm的范围内,并与体内众多生理和病理过程息息相关。因此,开发仿生血管构建技术是构建仿生器官模型和工程化组织的关键。

在体内,从主动脉(直径~ 1 cm)分支的血管,逐渐变成越来越小的管道,最终形成致密的微小毛细血管(直径~5 – 10 μm)。不仅尺寸不同,这些血管还具有不同的血管壁组成成分、厚度、力学性能、通透性和几何形状。这些特征对于其维持复杂的组织/器官功能至关重要。因此,在仿生构建工程化组织的过程中,应考虑目标组织特征,构建具有适当的生物功能性成分的、具有仿生尺寸、几何形状及力学特征的可灌注血管。

与天然组织相似,水凝胶具有在三维网络中保留大量水分的能力,因而广泛用于构建工程化组织。水凝胶内部的孔洞相互连通,水中分子得以扩散,这很好地满足了血管将分子从血液输送到组织的要求。然而,大多数水凝胶材料在机械上相对脆弱,这导致在加工设计几何形状时,特别是在制作空心通道时,有极大的挑战性。因此,开发有效的方法以在水凝胶材料中构建所需的血管系统成为了研究的热点。

各种新兴的工程技术,如微模具制造、3D打印和微流控纺丝,为构建体外血管系统提供了极大的机会。利用这些技术,水凝胶材料内部的空心几何结构可以由微模具、牺牲材料、支撑池或液体模板等支撑。血管的尺寸从几微米到几毫米不等。基于水凝胶的可灌注血管组织可有效促进体内移植效果和体外各种生理和病理过程的模拟。

针对血管构建术这一制约体外组织器官工程化的技术瓶颈问题,清华大学梁琼麟课题组在应邀撰写的综述性论文中探讨了水凝胶材料及其在血管化组织构建方面的优势,总结了近年来在水凝胶中构建可灌注微通道的新型工程技术,包括微模具成型、3D打印和微流体纺丝等,并论述了这些可灌注水凝胶在制造芯片上的器官和可移植的工程组织中的应用现状及前景。最后,文中还讨论了目前在模拟复杂天然血管系统方面所面临的挑战,并展望了仿生血管组织的未来发展。在生物材料和工程技术亟待进一步结合的现今,我们相信这篇综述能对生物材料和生物医学工程领域的研究人员有所帮助。 相关论文以“Engineering of Hydrogel Materials with Perfusable Microchannels for Building Vascularized Tissues”为题,在线发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201902838)上。