水凝胶里长出血管网络，登上Nature大子刊封面！-特诺科技官方网站

水凝胶里长出血管网络，登上Nature大子刊封面！

来源：科诺科研

机器学习增强混合生物打印，实现毛细血管尺度分级血管网络构建

血管网络是生命组织中最关键的“基础设施”之一。它不仅负责输送氧气和营养物质，还承担代谢废物排出、维持组织稳态等功能。对于体外构建工程化组织、类器官和未来可植入组织而言，能否在三维水凝胶基质中构建接近天然组织的血管网络，往往决定了组织厚度、细胞活性和长期功能。

然而，真正模拟天然血管并不容易。自然血管系统具有高度分级的结构：从较大的动脉、静脉，到微米尺度的小血管，再到直径仅数微米到十几微米的毛细血管。这种多尺度、分支化、互联互通的结构对人工制造提出了很高要求。传统牺牲模板法或挤出式生物打印可以构建可灌注通道，但在进一步缩小通道尺寸、实现毛细血管尺度分辨率以及构建复杂三维分级网络方面仍面临挑战。

近日，美国圣母大学 Yanliang Zhang 教授团队与哈佛医学院/布莱根妇女医院 Yu Shrike Zhang 教授团队合作，在 Nature Chemical Engineering 发表封面文章 “Hybrid bioprinting of hierarchical vascular networks at capillary-scale resolution”。该研究提出了一种机器学习增强的混合生物打印策略，将高分辨率气溶胶喷射打印与高通量挤出打印相结合，实现了毛细血管尺度分级血管网络的可控构建。

为什么需要“混合”生物打印？

在该工作中，研究团队将两种打印方式的优势进行了互补整合。

气溶胶喷射打印，即 aerosol jet printing，具有极高的图案化分辨率。通过载气将牺牲墨水雾化，并利用鞘气流对气溶胶流进行空气动力学聚焦，可以在无需极细喷嘴的情况下沉积微米级牺牲材料。相比传统挤出打印，这种方式更适合制备毛细血管尺度的细小通道。

挤出打印则用于构建三维水凝胶基质。研究中选择 GelMA 作为组织基质材料，利用其良好的生物相容性和可光交联特性，构建可承载血管结构和细胞培养的软水凝胶环境。

具体而言，团队使用气溶胶喷射打印沉积明胶基牺牲材料，并使用挤出打印构建 GelMA 水凝胶基质。打印完成后，通过紫外光交联固定 GelMA 结构，再利用温和水洗去除明胶牺牲材料，从而在水凝胶内部留下预设的中空微通道。这一过程避免了传统牺牲模板法中复杂的预制、转移和组装步骤，使血管网络能够在三维水凝胶基质中直接生成。

机器学习帮助打印“少试错、快优化”

气溶胶喷射打印的通道尺寸和打印质量受多个参数共同影响，包括载气流量、鞘气流量、打印速度、喷嘴尺寸和打印层数等。这些参数之间存在复杂耦合关系。例如，鞘气与载气的比例会影响气溶胶流的聚焦程度，而载气流量和打印速度又会共同决定材料沉积量。

如果依靠传统试错方法，针对每一个目标通道尺寸重新寻找参数，不仅耗时，也难以保证稳定性。为了解决这一问题，研究团队引入了受约束贝叶斯优化方法，将目标线宽作为优化对象，同时将打印质量作为约束条件。通过少量实验迭代，算法即可快速推荐合适的打印参数，实现目标尺寸和高质量图案的同步优化。

实验结果显示，该方法可以在平均约 8 次优化迭代内找到满足目标线宽和打印质量要求的参数组合。即使在墨水配方、打印床温度和环境湿度发生变化的条件下，该优化策略仍能保持较好的鲁棒性。这表明，该方法不仅适用于本研究中的血管打印，也为多材料、多工艺增材制造中的自主参数优化提供了思路。

从 1D 到 3D：构建分级血管网络

利用这一混合打印平台，研究团队展示了从一维直通道、二维分支网络到三维复杂血管网络的多尺度构建能力。

在一维结构中，团队通过调节气体流量打印出不同宽度的微通道，并进一步构建了类似血管狭窄的结构，通道宽度可在短距离内实现明显变化。这类结构对于模拟心血管疾病中的局部狭窄具有潜在价值。

在二维结构中，团队构建了符合 Murray 定律设计思想的分级分支网络，使流体能够在不同分支之间较均匀地分配。更进一步，研究还展示了树枝状分支网络，通道宽度从入口处的百微米尺度逐步减小到约 9 μm，接近天然毛细血管尺度。

在三维结构中，研究团队实现了不同高度处空间分离的微通道，并通过不同颜色的荧光染料依次灌注，证明了三维通道的连通性和可灌注性。随后，他们进一步构建了包含多级分支的复杂三维血管网络，展示了该方法在三维空间中构建层级化、空间复杂血管结构的能力。

不只是“打印出来”，还要“活起来”

对于组织工程而言，打印出中空通道只是第一步。真正关键的是这些通道是否能够支持细胞生长，并形成具有生物功能的血管样内皮层。

为此，研究团队将人脐静脉内皮细胞 HUVECs 灌注进入打印通道中。结果显示，内皮细胞能够在通道内黏附、铺展并逐渐形成连续的细胞层。在 120 μm和 240 μm通道中，细胞在 1、3 和 10 天培养过程中保持较高活性，整体细胞活率约为 85%–95%。免疫染色进一步显示，内皮细胞在通道内形成连续排列，并表达与内皮连接和屏障功能相关的标志物。

更重要的是，团队通过 FITC–dextran 渗透实验验证了内皮化通道的屏障功能。相比空通道，内皮化后的通道表现出更低的分子扩散渗透性，并且随着培养时间延长，屏障功能进一步增强。研究还使用组胺刺激内皮化通道，观察到细胞骨架重构和渗透性升高，说明该人工血管模型能够对血管活性因子产生功能响应。

这些结果表明，该平台不仅可以制造复杂的微血管结构，还能支持血管内皮化和功能化，为构建更接近真实组织环境的体外模型提供了基础。