研究背景

心血管系统是所有脊椎动物发育的关键，负责为组织和器官输送氧气与营养，并清除代谢废物。然而，构建具有可灌注流体网络的组织工程支架一直是生物工程领域的重大挑战。

传统组织工程支架存在局限性，要么厚度受限于被动营养扩散（约200μm），要么较大结构因缺氧形成坏死核心。微流控芯片和器官芯片系统虽在模拟血管流动和生物过程方面发挥了作用，但制造材料多为塑料和弹性体（如聚二甲基硅氧烷），存在机械性能与天然组织差异大、可能吸附脂溶性生物分子、制造需光刻技术和洁净室、无法被细胞重塑等问题。

水凝胶基材料构建可灌注支架被认为是解决这些挑战的有效途径，但现有技术在3D空间中图案化细胞、水凝胶、细胞外基质等成分方面仍存在不足，限制了模型系统的结构复杂性和功能。

研究内容

核心技术平台构建

• CHIPS制备：利用悬浮水凝胶自由可逆嵌入（FRESH）3D生物打印技术，将胶原蛋白水凝胶、细胞外基质和细胞直接打印成基于胶原蛋白的高分辨率内部可灌注支架（CHIPS）。打印过程中，生物材料被直接挤压到由明胶微粒浆料组成的热可逆支撑浴中，支撑浴通过宾汉塑性流变学特性固定生物墨水细丝，并触发其快速凝胶化。打印完成后，将温度升至37°C熔化明胶，即可无损取出支架。
• VAPOR生物反应器开发：为解决柔软胶原蛋白支架的灌注问题，设计了血管系统和灌注器官芯片反应器（VAPOR）。该反应器由生物相容性树脂3D打印的主体（含鲁尔锁连接配件和内部流体通道）和带硅胶垫片与玻璃成像窗口的可拆卸盖子组成，还包含类淋巴流体路径，可缓解组装时的压力峰值、提供旁路流道并实现间质液再循环。

技术性能验证

• 打印精度评估：通过光学相干断层扫描（OCT）和3D测量，验证了蛇形、三通道和堆叠通道等多种CHIPS设计的打印精度。结果显示，打印误差均小于20μm，接近OCT系统的成像分辨率极限（XY方向16μm体素）和生物打印机的机械性能（±8μm）。
• 灌注功能测试：在VAPOR生物反应器中对CHIPS进行灌注测试，实现了层流和脉动流灌注，验证了支架的流体混合能力和通道完整性。同时，证明CHIPS可支持100-1000μl/min的流速，产生的壁面剪切应力在大静脉和小动脉的生理范围内（1-10dyne/cm²）。
• 分子扩散特性研究：利用不同分子量（3-70kDa）的荧光素异硫氰酸酯（FITC）标记葡聚糖，研究了分子在无细胞CHIPS中的扩散特性。结果表明，扩散具有分子量依赖性，且施加5-10mmHg的压力差可促进大分子扩散。

多功能应用验证

• 多材料打印与ECM图案化：开发了高性能多材料3D生物打印机，实现了细胞外基质成分、生长因子和材料刚度的精确空间图案化。成功打印出含荧光标记纤连蛋白的胶原蛋白层、垂直线条和分支网络，以及刚度梯度（6、12、23mg/ml）的胶原蛋白结构。
• 多细胞CHIPS构建：将人脐静脉内皮细胞（HUVECs）和人间充质干细胞（MSCs）融入纤维蛋白原生物墨水中，通过多材料打印构建血管化CHIPS。静态培养8天后，观察到血管内皮钙黏蛋白（VE-Cad）阳性的毛细血管样网络形成；灌注培养进一步促进了内皮细胞特异性蛋白表达和血管样形态形成。
• 胰腺样CHIPS开发：将小鼠MIN6细胞（具有β细胞样胰岛素分泌功能）与HUVECs、MSCs结合，制备胰腺样生物墨水，打印成胰腺样CHIPS。该支架在静态培养8天后保持结构稳定，MIN6细胞表达胰岛素，HUVECs形成毛细血管样网络；灌注培养12天后，葡萄糖刺激胰岛素分泌的刺激指数达到4.6，接近原代胰岛水平（刺激指数约10）。

研究结论

• 成功构建了基于FRESH 3D生物打印的CHIPS和VAPOR集成平台，实现了高分辨率、复杂结构的可灌注生物支架制备和动态培养。
• 该平台具有出色的3D空间图案化能力，可精确控制细胞外基质组成、细胞分布和材料性能，支持毛细血管样网络形成和特定组织功能实现（如葡萄糖响应性胰岛素分泌）。
• 与传统微流控技术相比，CHIPS和VAPOR平台具有材料生物相容性好、制造灵活、可直接细胞化等优势，为器官芯片系统、疾病建模和细胞替代疗法提供了新的技术途径。
• 虽然目前最小可灌注通道直径约为100μm，存在一定局限性，但通过优化支撑浴中明胶微粒尺寸等参数，有望进一步提升分辨率。同时，该技术具有良好的可及性，可通过商业3D生物打印机或改造的桌面3D打印机实现。