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清華大學梁瓊麟教授課題組綜述:水凝膠材料內的血管構建術
2019-10-11  來源:高分子科技

  復雜的血管系統在各器官/組織中起著重要的作用。如何在水凝膠材料內重建仿生血管系統,仍是組織工程領域的重難點問題。

  近期,清華大學化學系梁瓊麟教授課題組應邀撰寫了題為“Engineering of Hydrogel Materials with Perfusable Microchannels for Building Vascularized Tissues”的綜述論文,梳理總結了近年來在水凝膠材料中制備類血管通道的新興技術,并討論了這些技術在構建器官芯片及構建可移植組織方面的巨大潛力。該論文最近在線發表在Small上(Small, 2019, 15, 1902838)。

圖1.水凝膠內微通道制備技術及可灌注水凝膠的生物醫學應用。

  組織工程是一門旨在實現體外仿生組織構建的多領域交叉學科。血管是所有器官系統最重要的特征之一。血管系統分布在全身各處,負責運輸氧氣、營養物質、生長因子和細胞,并清除廢物。因為擴散限制,體內細胞多存在于距離血管小于200 μm的范圍內,并與體內眾多生理和病理過程息息相關。因此,開發仿生血管構建技術是構建仿生器官模型和工程化組織的關鍵。

  在體內,從主動脈(直徑~ 1 cm)分支的血管,逐漸變成越來越小的管道,最終形成致密的微小毛細血管(直徑~5 – 10 μm)。不僅尺寸不同,這些血管還具有不同的血管壁組成成分、厚度、力學性能、通透性和幾何形狀。這些特征對于其維持復雜的組織/器官功能至關重要。因此,在仿生構建工程化組織的過程中,應考慮目標組織特征,構建具有適當的生物功能性成分的、具有仿生尺寸、幾何形狀及力學特征的可灌注血管。

  與天然組織相似,水凝膠具有在三維網絡中保留大量水分的能力,因而廣泛用于構建工程化組織。水凝膠內部的孔洞相互連通,水中分子得以擴散,這很好地滿足了血管將物質從血液輸送到組織的要求。作者在文中總結了幾類水凝膠材料,并討論了其特殊性質在構建工程化血管組織中的優勢和劣勢。

  大多數水凝膠材料在機械上相對脆弱,這導致在加工設計幾何形狀時,特別是在制作空心通道時,有極大的挑戰性。因此,需要開發有效的方法,實現水凝膠材料內血管系統的構建。文中梳理總結了三種主要的方法,包括微模塑法、3D打印和微流控紡絲法。

圖2.基于微模塑法制備水凝膠內血管微通道。

  微模塑法是一種可重復的、高通量的方法,可以很容易地實現水凝膠的圖案化。不用考慮交聯時間長短,該方法可應用于各種水凝膠材料。因此,該方法也被廣泛應用于體外血管組織模型的構建。微模塑法的關鍵在于微模具設計:既要保證鑄造后結構的機械穩定性,又要保證水凝膠凝固后易于拆除。此外,水凝膠中通道的大小和形狀都是由所設計微模具的尺寸和形狀決定的。在這一部分中,作者詳細討論了利用不同的微模具在水凝膠中生成可灌注的血管通道的最新進展。

圖3. 3D打印應用于制備水凝膠內的多樣化血管通道。

  3D打印是本世紀最具影響力的技術之一。3D打印技術可應用于生物材料和細胞的打印,因而在再生醫學、組織工程和制藥工業中具有廣泛的應用潛力。在此部分中,作者將用于構造可流通水凝膠的3D打印技術分為了四類進行詳細討論,這四類分別是:水凝膠內通道的直接打印法,基于3D打印犧牲層的通道構建法,支撐池內的3D打印法,基于光漂白及光降解的3D打印法。

圖4.基于微流控紡絲技術制備的可流通水凝膠纖維及基于微纖維的三維構造。

  近年來,基于共軸微流控裝置的微流控紡絲技術引起了人們的關注。利用流體作為生成管狀通道的模板,可以大規模生產出微尺度管狀材料。管狀材料是構建血管類組織的重要基元材料。在此部分中,作者討論了微流控紡絲技術在制備中空血管類材料方面的進展及應用現狀。

圖5. 可流通水凝膠材料的應用進展。

  上述工程方法為血管化工程組織的體外培養提供了良好的機會。這些血管化體外組織可模擬天然組織的多個關鍵方面,從而進一步滿足多種生物醫學領域研究和應用的需求;谏鲜鲇懻,作者進一步梳理了可灌注水凝膠在器官芯片和可移植組織等方面的應用進展。

  最后,文中還討論了目前在模擬復雜天然血管系統方面所面臨的挑戰,并展望了仿生血管組織的未來發展。在生物材料和工程技術亟待進一步結合的現今,相信這篇綜述能對生物材料和生物醫學工程領域的研究人員有所幫助。

  該論文的第一作者為清華大學化學系博士生謝若簫,通訊作者為梁瓊麟教授,論文得到國家自然科學基金委(81872835),科技部(2017YFC1700802, 1816312ZT00307701)等基金的資助。

  論文鏈接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.201902838

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