研究背景

心血管系統是所有脊椎動物發育的關鍵，負責為組織和器官輸送氧氣與營養，并清除代謝廢物。然而，構建具有可灌注流體網絡的組織工程支架一直是生物工程領域的重大挑戰。

傳統組織工程支架存在局限性，要么厚度受限于被動營養擴散（約200μm），要么較大結構因缺氧形成壞死核心。微流控芯片和器官芯片系統雖在模擬血管流動和生物過程方面發揮了作用，但制造材料多為塑料和彈性體（如聚二甲基硅氧烷），存在機械性能與天然組織差異大、可能吸附脂溶性生物分子、制造需光刻技術和潔凈室、無法被細胞重塑等問題。

水凝膠基材料構建可灌注支架被認為是解決這些挑戰的有效途徑，但現有技術在3D空間中圖案化細胞、水凝膠、細胞外基質等成分方面仍存在不足，限制了模型系統的結構復雜性和功能。

研究內容

核心技術平臺構建

• CHIPS制備：利用懸浮水凝膠自由可逆嵌入（FRESH）3D生物打印技術，將膠原蛋白水凝膠、細胞外基質和細胞直接打印成基于膠原蛋白的高分辨率內部可灌注支架（CHIPS）。打印過程中，生物材料被直接擠壓到由明膠微粒漿料組成的熱可逆支撐浴中，支撐浴通過賓漢塑性流變學特性固定生物墨水細絲，并觸發其快速凝膠化。打印完成后，將溫度升至37°C熔化明膠，即可無損取出支架。
• VAPOR生物反應器開發：為解決柔軟膠原蛋白支架的灌注問題，設計了血管系統和灌注器官芯片反應器（VAPOR）。該反應器由生物相容性樹脂3D打印的主體（含魯爾鎖連接配件和內部流體通道）和帶硅膠墊片與玻璃成像窗口的可拆卸蓋子組成，還包含類淋巴流體路徑，可緩解組裝時的壓力峰值、提供旁路流道并實現間質液再循環。

技術性能驗證

• 打印精度評估：通過光學相干斷層掃描（OCT）和3D測量，驗證了蛇形、三通道和堆疊通道等多種CHIPS設計的打印精度。結果顯示，打印誤差均小于20μm，接近OCT系統的成像分辨率極限（XY方向16μm體素）和生物打印機的機械性能（±8μm）。
• 灌注功能測試：在VAPOR生物反應器中對CHIPS進行灌注測試，實現了層流和脈動流灌注，驗證了支架的流體混合能力和通道完整性。同時，證明CHIPS可支持100-1000μl/min的流速，產生的壁面剪切應力在大靜脈和小動脈的生理范圍內（1-10dyne/cm2）。
• 分子擴散特性研究：利用不同分子量（3-70kDa）的熒光素異硫氰酸酯（FITC）標記葡聚糖，研究了分子在無細胞CHIPS中的擴散特性。結果表明，擴散具有分子量依賴性，且施加5-10mmHg的壓力差可促進大分子擴散。

多功能應用驗證

• 多材料打印與ECM圖案化：開發了高性能多材料3D生物打印機，實現了細胞外基質成分、生長因子和材料剛度的精確空間圖案化。成功打印出含熒光標記纖連蛋白的膠原蛋白層、垂直線條和分支網絡，以及剛度梯度（6、12、23mg/ml）的膠原蛋白結構。
• 多細胞CHIPS構建：將人臍靜脈內皮細胞（HUVECs）和人間充質干細胞（MSCs）融入纖維蛋白原生物墨水中，通過多材料打印構建血管化CHIPS。靜態培養8天后，觀察到血管內皮鈣黏蛋白（VE-Cad）陽性的毛細血管樣網絡形成；灌注培養進一步促進了內皮細胞特異性蛋白表達和血管樣形態形成。
• 胰腺樣CHIPS開發：將小鼠MIN6細胞（具有β細胞樣胰島素分泌功能）與HUVECs、MSCs結合，制備胰腺樣生物墨水，打印成胰腺樣CHIPS。該支架在靜態培養8天后保持結構穩定，MIN6細胞表達胰島素，HUVECs形成毛細血管樣網絡；灌注培養12天后，葡萄糖刺激胰島素分泌的刺激指數達到4.6，接近原代胰島水平（刺激指數約10）。

研究結論

• 成功構建了基于FRESH 3D生物打印的CHIPS和VAPOR集成平臺，實現了高分辨率、復雜結構的可灌注生物支架制備和動態培養。
• 該平臺具有出色的3D空間圖案化能力，可精確控制細胞外基質組成、細胞分布和材料性能，支持毛細血管樣網絡形成和特定組織功能實現（如葡萄糖響應性胰島素分泌）。
• 與傳統微流控技術相比，CHIPS和VAPOR平臺具有材料生物相容性好、制造靈活、可直接細胞化等優勢，為器官芯片系統、疾病建模和細胞替代療法提供了新的技術途徑。
• 雖然目前最小可灌注通道直徑約為100μm，存在一定局限性，但通過優化支撐浴中明膠微粒尺寸等參數，有望進一步提升分辨率。同時，該技術具有良好的可及性，可通過商業3D生物打印機或改造的桌面3D打印機實現。