Science：多血管網(wǎng)絡(luò)和功能性血管內(nèi)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的生物相容性水凝膠
一、文章概述
實(shí)體器官通過(guò)不同的血管網(wǎng)絡(luò)傳輸流體，這些血管網(wǎng)絡(luò)在生物物理和生物化學(xué)上糾纏在一起，形成了復(fù)雜的三維 (3D) 傳輸機(jī)制，這些機(jī)制仍然難以生產(chǎn)和研究。本文通過(guò)使用食品染料添加劑作為用于投影立體光刻的光吸收劑，通過(guò)光聚合水凝膠建立自由的血管內(nèi)結(jié)構(gòu)并設(shè)計(jì)多血管結(jié)構(gòu)。本文展示了在幾分鐘內(nèi)生產(chǎn)的整體透明的水凝膠，包括高效的血管內(nèi)3D流體混合器和功能性二尖瓣。本文進(jìn)一步從空間填充數(shù)學(xué)拓?fù)渲性敿?xì)闡述了糾纏的血管網(wǎng)絡(luò)，并探索了潮氣式通氣和近端氣道擴(kuò)張期間人類紅細(xì)胞的氧合和流動(dòng)。此外，本文在慢性肝損傷的嚙齒動(dòng)物模型中部署了結(jié)構(gòu)化的可生物降解水凝膠載體，以突出這種材料創(chuàng)新的潛在轉(zhuǎn)化效用。
二、圖文導(dǎo)讀
圖1. 具有功能性血管內(nèi)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的水凝膠；(A) 具有可灌注通道的整體水凝膠，其中包含靜態(tài)元素，這些靜態(tài)元素迅速促進(jìn)流體分裂和混合（如熒光成像所示），與流動(dòng)的計(jì)算模型（比例尺，1 毫米）一致；(B) 在順行和逆行流（比例尺，500 μm）下將功能性 3D 二尖瓣集成到血管壁中的水凝膠，粒子圖像測(cè)速儀在打開(kāi)的瓣葉后面的竇區(qū)中顯示出穩(wěn)定的鏡像渦流。
圖2.糾纏的血管網(wǎng)絡(luò)(A到D)；數(shù)學(xué)空間填充曲線對(duì)水凝膠（20 wt% PEGDA，6 kDa）內(nèi)糾纏血管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的適應(yīng)性：（A）軸向血管和螺旋；（B）互穿希爾伯特曲線；（C）雙連續(xù)立方晶格和（D）環(huán)面 和 (3,10) 圓環(huán)結(jié)（比例尺，3 毫米）；（E）軸向血管的鑲嵌及其沿蛇形路徑的環(huán)繞螺旋。該照片是制造的水凝膠的自上而下視圖，其中氧氣和紅細(xì)胞輸送到各個(gè)血管。在灌注過(guò)程中，紅細(xì)胞的顏色從深紅色（在紅細(xì)胞入口處）變?yōu)轷r紅色（在紅細(xì)胞出口處）（比例尺，3 毫米）；盒裝區(qū)域在（F）中放大（比例尺，1 毫米）；(G) 在出口處收集灌注的 RBC，并對(duì) SO2 和 PO2 進(jìn)行量化。 與在入口處灌注的脫氧紅細(xì)胞相比（虛線）和氮?dú)饬麝幮詫?duì)照（N ≥ 3 次重復(fù)，數(shù)據(jù)為平均值 ± SD，*P < 2 × 10−7，Student s t 測(cè)試）。
圖3.具有血管化肺泡模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的水凝膠中的潮汐通氣和氧合；(A)基于Weaire-Phelan 3D 鑲嵌和拓?fù)淦频姆闻菽Ｐ屯負(fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以推導(dǎo)出鞘管系統(tǒng)，剖視圖顯示了模型肺泡 (alv.) 與共享氣道心房。突出顯示氣道的凸（藍(lán)色）和凹（綠色）區(qū)域；(B) RBC 灌注過(guò)程中打印的水凝膠照片，同時(shí)氣囊用 O2 通風(fēng)（比例尺，1 毫米）；(C) 用氧氣使氣道充氣后，氣道的凹形區(qū)域（黑色虛線圓圈）擠壓相鄰的血管并導(dǎo)致紅細(xì)胞清除（比例尺，500 μm）；(D) 氣道膨脹的計(jì)算模型表明凹面區(qū)域的位移增加（黃色虛線圓圈）；(E) RBC 的氧飽和度隨著 RBC 流速的降低而增加（N = 3，數(shù)據(jù)為平均值 ± SD，* P < 9 × 10−4 通過(guò) Student t 檢驗(yàn)），虛線表示在入口處灌注的脫氧 RBC 的 SO2 ；(F) 通過(guò)氣道的生成性生長(zhǎng)、相對(duì)的入口和出口血管網(wǎng)絡(luò)的偏移生長(zhǎng)以及具有遠(yuǎn)端肺亞基的分支尖端的種群來(lái)制定肺模擬設(shè)計(jì)；(G) 遠(yuǎn)端肺亞基由通過(guò) 3D 偏移和各向異性 Voronoi 鑲嵌在脈管系統(tǒng)中包裹的凹凸氣道組成；(H) 在 RBC 灌注期間含有遠(yuǎn)端肺亞基的打印水凝膠的照片，同時(shí)氣囊用 O2 通風(fēng)（比例尺，1 毫米）(I) 由 (H) 中的虛線框包圍的區(qū)域的閾值視圖顯示了通氣過(guò)程中的雙向 RBC 流動(dòng)；(J) 遠(yuǎn)端肺亞基可以穩(wěn)定承受超過(guò) 10,000 個(gè)循環(huán) (24 kPa, 0.5 Hz) 的通氣，并顯示 RBC 對(duì)通氣氣體（N2 或 O2）的敏感性。
圖4.功能性肝水凝膠載體的植入；(A到C) 白蛋白啟動(dòng)子活性在含有肝聚集體的水凝膠載體中在植入裸鼠后增強(qiáng)，每個(gè)條件的所有時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)顯示在 (B) 中 [N = 4，*P < 0.05];(D) 切除后水凝膠的大體圖像（比例尺，5 毫米）; (E) (左) 預(yù)血管化肝水凝膠載體是通過(guò)在打印后在血管網(wǎng)絡(luò)中接種內(nèi)皮細(xì)胞 (HUVEC) 來(lái)創(chuàng)建的,（右）共聚焦顯微鏡觀察表明，水凝膠錨定物理截留含有肝細(xì)胞聚集體 (Hep) 的纖維蛋白凝膠（比例尺，1 毫米）; (F) 血管化肝水凝膠載體中的肝細(xì)胞在植入慢性肝損傷小鼠后表現(xiàn)出白蛋白啟動(dòng)子活性, 用 H&E 染色的移植切片顯示肝臟聚集體（黑色箭頭）相對(duì)于載體系統(tǒng)（比例尺，50 μm）的印刷（病例、錨）和非印刷（纖維蛋白）組分的定位; (G) 水凝膠載體被宿主血液浸潤(rùn)（總的，H&E）。載體包含表達(dá)標(biāo)記細(xì)胞角蛋白-18 (Ck-18) 的聚集體，并且與 Ter-119 陽(yáng)性 RBC 非常接近（比例尺，40 μm）。
三、全文總結(jié)
本文確定了廣泛用于食品工業(yè)的合成和天然食用染料可用作有效的生物相容性光吸收劑，它可以實(shí)現(xiàn)包含復(fù)雜和功能性血管結(jié)構(gòu)的水凝膠的立體光刻生產(chǎn)。本文在食品添加劑中選擇了光吸收劑，其吸收光譜包含可用于生物相容性光聚合的可見(jiàn)光波長(zhǎng)，并使用含有檸檬黃、姜黃素或花青素的水凝膠預(yù)溶液均制備了具有一定結(jié)構(gòu)的水凝膠。除了這些有機(jī)分子，無(wú)機(jī)金納米粒子 (50 nm) 因其生物相容性和光衰減特性而被廣泛認(rèn)為，也可作為一種有效的光吸收添加劑來(lái)生成可灌注水凝膠。本文使用食用染料作為光吸收劑，用于生產(chǎn)含有功能性血管拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的水凝膠，用于研究流體混合器、閥門(mén)、血管間運(yùn)輸、營(yíng)養(yǎng)輸送和宿主移植，通過(guò)立體光刻工藝，有可能對(duì)組織結(jié)構(gòu)和生物材料進(jìn)行同步和正交控制，以設(shè)計(jì)再生組織。
文章鏈接：
Doi:10.1126/science.aav9750.
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