3D打印脑血管复制人类血流模式

动脉粥样硬化和中风等脑血管疾病仍然是全球发病率和死亡率的主要原因。这些疾病的一个共同特征是血管狭窄，即血管变窄，这会扰乱正常的血流并导致血管壁的慢性炎症。血管内皮细胞在感知血流剪切应力并通过表达促炎分子来应对紊乱的血流动力学方面发挥着关键作用。然而，由于生物系统的复杂性和多变性，在体内研究这一现象具有挑战性。

传统的体外模型，包括静态培养和微流体装置，通常无法复制人类脑血管环境的结构、机械和生物复杂性。这凸显了我们需要一个更具生理相关性的模型来研究异常流动模式如何导致内皮功能障碍和炎症。

为了弥补这一关键的研究空白，由釜山国立大学的Byoung Soo Kim教授和Min-Ju Choi研究员领导的合作团队，与浦项科技大学（POSTECH）的Dong-Woo Cho教授和Wonbin Park博士共同开发了一种3D生物打印的狭窄脑血管体外模型。他们的研究成果于2025年6月24日在线发表在《先进功能材料》杂志上。

“我们采用了一种新型嵌入式同轴生物打印技术，快速制造出可控制管腔狭窄的可灌注血管导管，”Kim教授解释说。“我们的生物墨水是由猪主动脉衍生的脱细胞细胞外基质 (dECM)、胶原蛋白和藻酸盐混合而成，既具有机械强度，又能提供必要的生物学信息，以支持内皮细胞的附着和功能。”

生物打印血管内包裹了人类内皮细胞，包括脐静脉内皮细胞 (HUVEC) 和脑微血管细胞 (HBMEC)，并暴露于模拟正常和狭窄血管的流动条件下。该模型成功构建了体内血流条件，并模拟了与脑血管疾病相关的狭窄几何形状。

计算流体动力学模拟和示踪珠实验证实，狭窄区域产生了紊乱的流动模式，这与动脉粥样硬化血管的典型特征相似。内皮化血管呈现连续覆盖，并表达所有连接蛋白，包括CD31、VE-钙粘蛋白和ZO-1。这些血管还通过选择性通透性维持了屏障的完整性。

值得注意的是，在流动紊乱的条件下，炎症标志物显著上调，这是成熟内皮屏障的标志。

Kim 教授说：“这种 3D 生物打印技术通过实现解剖学上精确且生理相关的血管，标志着脑血管疾病建模的重大进步。”

该模型采用基于增强型ECM的生物墨水和同轴生物打印技术，复制了狭窄血管的几何形状和流动动力学，为研究血流诱导的内皮炎症提供了一个逼真的平台。它与多种内皮细胞类型的兼容性拓宽了其在疾病建模和个性化医疗中的应用。通过弥合简单的体外系统与复杂的体内模型之间的差距，该平台还减少了对动物试验的依赖，并增强了药物筛选和毒性评估。

未来的改进，例如整合脑特异性ECM、共培养血管支持细胞以及使用患者来源的细胞，可以进一步提高生理准确性和患者特异性建模。与器官芯片平台和AI驱动分析的整合，还可以实现对内皮细胞对治疗的反应的实时监测。

总而言之，这项研究为脑血管组织工程提供了一个强大而多功能的平台。随着生物打印技术的不断发展，它们有望改变我们研究和治疗中风和动脉粥样硬化等疾病的方式，加速治疗方法的探索和个性化干预措施的开发。

更多信息： Wonbin Park 等，《利用机械增强型细胞外基质生物墨水对狭窄脑血管进行嵌入式 3D 同轴生物打印，用于研究血流动力学力诱导的内皮反应》，《先进功能材料》 (2025)。DOI ：10.1002/adfm.202504276