基于温敏性水凝胶的工程微尺度血管网络制造

来源：上海第九人民医院

长期以来，精确制造微尺度血管网络（Microscale Vasculatures, MSVs）一直是组织工程学中尚未解决的挑战。当前，光辅助3D打印是最常见的方法。然而，这种方法通常包含复杂的制造过程，制造成本较高，且需要与特定的光敏材料配合使用。上海交通大学医学院附属第九人民医院骨科王金武主任医师、戴尅戎院士团队针对生物3D打印制造过程快速简单、成本较低、不受材料来源限制的MSVs制造方法进行了研究探索，采用温敏性水凝胶PNIPAM（聚（N-异丙基丙烯酰胺））和生物相容性GelMA（甲基丙烯酸化明胶），在37℃下，利用PNIPAM的体积收缩，有效诱导更小尺寸MSVs的制造。

王金武主任医师介绍，组织工程血管网络生物3D打印制造已经取得了较大进展，但管径介于50μm和300μm之间的血管网络的制造还存在技术弊端。PNIPAM被广泛用来制备脱细胞基质、药物缓释微球、软体机器人，当环境温度低于其转变温度时，PNIPAM表现出亲水性；当环境温度高于其转变温度时，PNIPAM表现出疏水性，导致体积收缩。利用PNIPAM的体积收缩功能，可在较易获得的大尺寸血管网络制造完成后，通过外界条件诱导其体积收缩，从而制造尺寸较小的MSVs。

研究图例：a.湿纺海藻酸钙牺牲纤维；b.基于温敏性水凝胶的工程微尺度血管网络生物制造过程；c.工程微尺度血管网络与宿主组织形成连接

团队基于此思路，对PNIPAM和GelMA组成的P/G温敏性水凝胶进行了探索，对其体积收缩功能进行了检测，结果表明P/G温敏性水凝胶可在人体温度及细胞培养温度37℃实现体积收缩，且P/G温敏性水凝胶在37℃水中和空气中展现出不同的收缩性能；结合湿纺法制备的海藻酸钙牺牲纤维可以制造出目标MSVs，且最小尺寸可达50μm；内皮细胞在MSVs内经培养后可形成内皮细胞层，骨肉瘤细胞在P/G温敏性水凝胶响应后及培养期间保持较高活性；体内植入后MSVs可与宿主组织形成有效连接，所制造的MSVs为宿主血管的灌注提供了潜在部位。研究提出的MSVs制备方法摆脱了复杂的操作流程，无后处理过程，在温和的环境下即可诱导尺寸较小的MSVs的制造，简便快捷，诱导环境具有高度生物相容性。

团队于2021年4月22日，在著名学术期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）在线发表了该研究成果，题为Fabrication of Thermoresponsive Hydrogel Scaffolds with Engineered Microscale Vasculatures。骨科博士后李帅为论文第一作者，研究方向为生物3D打印工艺、血管网络制备工艺。项目依托王金武主任医师担任项目负责人的十三五科技部国家重点研发计划项目“血管化仿生关节多细胞精准3D打印技术与装备的开发及应用”。