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  近期，東華大學纖維材料改性重點國家實驗室游正偉教授團隊在3D打印和再生醫學領域取得重要進展，相關成果以《面向組織再生的3D打印仿生血管網絡》(3D printing of biomimetic vasculature for tissue regeneration)為題，發表于材料學領域著名期刊《Materials Horizons》。

  組織、器官的病變和損傷一直以來嚴重威脅人類健康，臨床上主要靠器官移植來治療，但是器官來源有限、存在免疫排斥反應、潛在病毒傳染等一系列問題。再生醫學為解決該問題提供了全新的思路。其中組織工程學為代表，它綜合應用工程學和生命科學的基本原理，研究開發用于修復、維持或改善人體病損組織的具有生理功能的替代物。其深刻地改變了傳統醫學的概念，被認為是繼細胞生物學和分子生物學之后，生命科學發展史上的又一個里程碑，標志著醫學步入了制造組織和器官的新時代，從某種意義上說，它已成為一個國家醫學發展水平的標志之一。但是組織工程臨床應用還非常有限，其中一個核心的挑戰就是如果有效解決構建組織的物質交換問題。因為組織細胞都高度依賴分支化血管系統，為細胞提供良好的物質交換以維持細胞生長的良好環境。而大多數組織工程構建的組織都不具有理想的微血管網絡，當中高密度細胞無法得到充分的物質交換且快速形成壞死中心。因此如何構建仿生血管網絡，是組織再生領域中的一個核心挑戰。

  針對上述關鍵瓶頸問題，游正偉教授團隊建立了基于3D打印技術的新策略，實現了血管網絡的高效仿生構筑。提出了從宏觀個性化脈絡結構、可灌注通道網絡、滲透性管壁三個層次對血管網絡進行多級結構仿生的概念。其中初級框架結構可通過數字化加工實現，滿足精準醫療的個性化需求，在宏觀結構上模擬再生組織的形態；次級結構的管道網絡具有良好整體連通性，可提供液體在內部灌注、流動、輸送的功能，模擬血管網絡的分支化通道結構；第三級結構是管壁上具有梯度分布的微孔結構，以保證管道內外的物質交換，模擬血管壁的可滲透性功能。

制備原理和多級仿生結構的示意圖

  文中作者提到該工作是從中國傳統手工藝“糖畫”中獲得靈感，將市售蔗糖作為單一原料，巧妙地利用3D打印機對其加熱進行預焦糖化，現場制備具有良好打印性的墨水，然后3D“作畫”，實現了糖模板的一鍋法3D打印定制。然后通過相分離機制和犧牲模板策略相結合，高效構筑了可灌注的聚合物基血管網絡和可控的微孔管壁。該方法具有良好的普適性，適用于熱塑和熱固性等多種材料，同時能夠很好地和各種組織工程支架比如海綿狀多孔支架、水凝膠、靜電紡納米纖維支架、細菌纖維素等結合制備含有內嵌仿生血管網絡的復合支架。

  進而游正偉教授團隊和上海交通大學附屬瑞金醫院的趙強教授和葉曉峰副教授合作，證實該仿生血管網絡復合支架在體外可維持高濃度細胞存活，體內可以促進血管和組織新生；進一步用于治療大鼠心肌梗塞，顯著改善了心肌局部缺血，有效防止了心肌纖維化。該支架具有良好的生物相容性和可降解性，能夠根據個體需求3D打印定制，未來還可以與藥物和干細胞復合，實現藥物緩釋和干細胞遞送，為組織缺損再生修復等提供精準醫療新方案。同時可以構建體外3D組織模型，用于藥物篩選。另外在微流控等領域也有潛在的應用前景。

仿生血管網的心肌梗塞補片應用

  游正偉教授團隊近年來專注生物彈性體材料及其3D打印的研究，去年的報道以“鹽”為核心的“咸墨水”打印，成功實現了熱固性材料3D打印[1]，并以生物彈性體為代表，實現了組織工程支架[2]和可穿戴摩擦納米發電機[3]的個性化定制。此次，該團隊以“糖”為核心，用“甜墨水”實現了仿生血管網絡的構建。果然是“不會做飯的材料學科研者不是好醫生啊！” ^_^

  東華大學博士生雷東是該論文的第一作者，東華大學游正偉教授、上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院趙強教授、葉曉峰副教授是該論文的共同通訊作者。東華大學的莫秀梅教授、何創龍教授、陳仕艷教授、天津大學劉文廣教授、上海大學朱波教授是論文的共同作者。該工作獲得國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市自然科學基金的資助。

  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2019/mh/c9mh00174c

參考文獻：

[1] Lei, D.; Yang, Y.; Chen, S.; Liu, Z.; Song, B.; Shen, A.; Yang, B.; Li, S.; Yuan, Z.; Qi, Q.; Sun, L.; Guo, Y.; Zuo, H.; Huang, S.; Yang, Q.; Mo, X.; He, C.; Zhu, B.; Jeffries, E.; Qing, F-L.; Ye, X.*; Zhao Q.*; You, Z.* A general strategy of 3D printing thermosets for diverse applications Mater. Horiz., 2019, 6, 394 – 404.

鏈接：https://pubs.rsc.org/ja/content/articlepdf/2019/mh/c8mh00937f 

[2] Yang. Y#; Lei, D.#; Huang, S.; Yang, Q.; Song, B.; Guo, Y.; Shen, A.; Yuan, Z.; Li, S.; Qing, F-L.; Ye, X.*; You, Z.*; Zhao, Q.* 

Elastic 3D printed hybrid polymeric scaffold improves cardiac remodeling after myocardial infarction Adv. Healthc. Mater. 2019. DOI: 10.1002/adhm.201900065.鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adhm.201900065

[3] Chen, S.#; Huang, T.#; Zuo, H.; Qian, S.; Guo, Y.; Sun, L.; Lei, D.; Wu, Q.; Zhu, B.; He, C.; Mo, X.; Jeffries, E.; Yu, H.; You, Z.* A single integrated 3D-printing process customizes elastic and sustainable triboelectric nanogenerators for wearable electronics Adv. Funct. Mater. 2018, 1805108.

鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201805108