斯坦福大学团队研发出3D打印心脏血管网络快速成型技术

来源：EFL生物3D打印与生物制造

当前，人类在生产大规模生物制造器官时，面临血管化和灌注不足的重大挑战，尤其是为任意复杂几何形状设计和打印能满足充分灌注的血管网络极为困难。现有方法如晶格设计难以复现天然血管拓扑和血流动力学，无法满足临床相关细胞密度的代谢需求，而像CCO等血管生成算法存在构建时间长、处理非凸形状能力有限且无法预测多尺度血流动力学等缺陷。为此，斯坦福大学Mark A. Skylar-Scott和Alison L. Marsden教授团队，引入模型驱动设计平台，结合CCO方法、多保真计算流体动力学模拟及三维生物打印技术，实现了器官规模合成血管网络的快速生成，解决了现有算法效率和几何适应性问题，提升了生物制造组织中细胞 viability。相关工作以“Rapid model-guided design of organ-scale synthetic vasculature for biomanufacturing”为题发表在2025年6月12日的《Science》上。

研究内容
通过模拟和分析运输网络指标，研究团队对比了晶格和合成血管策略在凸形（立方体）和非凸形（双心室）几何中生成的网络架构，评估了阻力导致的能量损失、流量分布均匀性、血管内物质运输和组织灌注情况。结果表明，在固定总血容量下，晶格设计比合成树网络具有更高的标称净液压阻力，且流量分布变异性更大，非凸几何中这些差异更明显。

图1. 合成血管工具包的灌注性能和能力。  

通过引入部分绑定优化、部分隐式体积、碰撞避免和闭环血管这四个关键特征，研究团队测试了合成血管树生成的加速技术，在10个工程几何和200多个解剖脑区域进行验证。结果显示，该技术将生成8000个终端树的时间从59.96小时缩短到中位数15分钟，能高效处理非凸形状并生成闭环灌注网络。

图2. 合成血管加速技术的性能。  

通过自动化将离散血管树转换为水密网格，结合开源SimVascular管道进行3D有限元、1D和0D血流模拟，研究团队对不同几何形状的血管网络进行多保真度 hemodynamics 建模。结果表明，该方法能高效捕获压力、流速和壁面切应力分布，适用于低雷诺数场景的血流分析。

图3. 自动多保真血流动力学建模。  

通过在非凸双心室和环形几何中计算生成具有10⁴到10⁶个终端血管的合成血管，并使用嵌入式3D打印技术将其打印到水凝胶支持浴中，研究团队展示了快速可扩展的方法。结果表明，打印的血管网络具有良好的结构完整性，为组织工程应用提供了实用模型。

图4. 血管模型算法生成和生物打印的可扩展血管密度。  

通过FRESH打印、染料灌注、CFD模拟和细胞存活实验，研究团队对生物打印的血管模型进行灌注和细胞活性验证。结果表明，灌注显著维持了环形核心区域的高细胞活性， 灌注组织的存活细胞数比培养基对照组高417倍，证明了合成血管在组织工程中的实用价值。

图5. 生物打印血管模型的灌注和生存能力。

研究结论
本研究表明，工程化器官规模组织的未来依赖于强大的软件基础设施，以通过基于物理的功能目标设计和验证血管网络。本研究提出了一个全面的模型驱动管道，可在任意几何形状中高效生成血管，创建适合生物制造的水密模型和用于高级多保真血流动力学模拟的数字孪生。尽管本研究还提出了一种生物制造可灌注血管树的方法，但具有较小直径血管的大型复杂树构建缓慢，且打印不准确性可能导致不连续或堵塞，从而抑制灌注。从长远来看，工程化组织有望在患者特定干预中替代受损或患病器官，而验证此类生物制造构造将需要在资源密集型制造之前进行模拟优化设计。本研究的模型驱动管道可在普通计算硬件上于数分钟内创建复杂的合成血管模型，为未来合成血管结构在生物制造和患者特定建模中的广泛应用扩展了更广泛血流动力学分析和设计优化的潜力。

文章来源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj6152