3D生物打印之人造“脑梗”！Adv Funct Mater：给血管造个“仿生病灶”，看看发炎真相

来源：100医药网 2025-08-22 09:50

来自韩国浦项科技大学等机构的科学家们通过研究，不仅用3D同轴生物打印技术“造”出了人脑狭窄血管，还让其真正“流起血来”，从而直观展示了紊乱血流如何诱发血管炎症。

在全球健康杀手排行榜上，心脑血管疾病常年稳居前列，而脑部血管狭窄更是引发中风、动脉粥样硬化等重症的 隐形炸弹 。我们常说 血管年轻人就年轻 ，可一旦血管变窄、血流不畅，内皮细胞的炎症反应便悄然启动，最终可能演变为致命病变。传统研究依赖动物模型或二维细胞培养，难以还原真实人体血管中复杂的血流环境与细胞响应 比如动物血管的解剖结构与人类存在差异，二维培养无法模拟血管的三维管状结构和血流剪切力的空间分布。那么，有没有一种方法能在实验室里 打印 出一条带狭窄结构的 活血管 ，实时观察血流如何 惹怒 内皮细胞？

近日，发表在《Advanced Functional Materials》上的一项研究给出了答案。来自韩国浦项科技大学等机构的科学家们不仅用 3D 同轴生物打印技术 造 出了人脑狭窄血管，还让其真正 流起血来 ，直观展示了紊乱血流如何诱发血管炎症。这项研究的核心目标，是构建一个生理相关性高、可精准模拟脑部血管狭窄的体外模型，从而揭示血流动力学（如剪切应力、流速变化）如何诱导内皮细胞炎症，为脑血管疾病的机制研究和药物研发提供 活体实验室 。

一、生物墨水的 硬核升级

要打印出能 工作 的血管，首先得有合适的 墨水 。研究团队将目光投向了猪主动脉 猪的血管结构与人类相似度高，且来源丰富。他们通过物理化学方法对猪主动脉进行去细胞化处理，提取出血管细胞外基质（VdECM）。这种 VdECM 保留了血管特有的生物活性成分，如胶原蛋白、弹性蛋白和糖胺聚糖（GAGs），但去除了会引发免疫反应的细胞成分（DNA 残留量仅 17.81 2.25 ng/mg，远低于 50 ng/mg 的安全阈值）。

不过，单纯的 VdECM 有个短板：机械性能较弱，打印后容易收缩或塌陷。为此，研究团队进行了 材料升级 将 VdECM 与胶原蛋白、海藻酸钠复合，开发出一种混合生物墨水（Hybrid Bioink）。胶原蛋白能增强结构稳定性，减少收缩；海藻酸钠则能通过钙离子快速离子交联，像 速干水泥 一样让打印的血管瞬间定型。

这种升级效果显著：混合生物墨水的动态模量（反映材料抵抗变形的能力）较单纯 VdECM 提升了约 65 倍，完美解决了传统 ECM 材料 软塌塌 的问题。流变学测试还显示，它具有 剪切稀化 特性 在打印时（高剪切力下）会变稀，便于挤出；打印后（低剪切力下）又能恢复固态，保证血管形态稳定。更重要的是，它对细胞友好：包裹在内的内皮细胞存活率始终保持在 95% 以上，为血管 活起来 奠定了基础。

利用三维浴内同轴生物打印技术制造狭窄脑血管模型的集成方法

二、5 分钟 造 出带狭窄的血管

有了合适的墨水，下一步是 精准制造 。研究团队采用 浴内 3D 同轴生物打印 技术，用一个特殊的同轴喷嘴完成血管的 一次成型 ：喷嘴外层挤出混合生物墨水（形成血管壁），内层挤出含钙离子的 Pluronic F127（一种可降解材料，作为临时 支架 ）。打印完成后，溶解掉内层材料，就形成了中空的血管 lumen（管腔）。

为了模拟血管狭窄，团队通过控制打印平台的移动速度实现 按需变径 ：当速度从 400 mm/min 提升到 1200 mm/min 时，血管内径从 1340 m 缩小到 551 m；若瞬间将速度提至 3600 mm/min，就能造出局部狭窄的区域（类似动脉粥样硬化的斑块凸起）。搭配 23 号核心喷嘴和 17 号外壳喷嘴，以及精准调控的气压（外壳 500 kPa、核心 35 kPa），最终打印出的血管直径稳定在 250 500 m，与人类脑部微血管尺寸高度匹配。

整个过程不到 5 分钟，就能造出一条可灌注的血管模型 这比传统多层构建方法高效得多，且能保证管腔的连续性和结构完整性。用荧光微球灌注测试显示，墨水打印的血管没有漏液或堵塞，血流能顺畅通过狭窄区域，为后续的 血流模拟 做好了准备。

三、让血管 活起来

打印出的血管不仅要 像 血管，更要 是 血管。研究团队将两种内皮细胞 人脐静脉内皮细胞（HUVECs）和人脑微血管内皮细胞（HBMECs）种植到血管内壁，在定制的培养芯片中进行动态培养（通过泵系统模拟血流）。

7 天后，奇迹发生了：内皮细胞在血管内壁形成了连续的单层，像 瓷砖 一样紧密排列。免疫荧光染色显示，它们表达了 CD31（血管内皮标记）、ZO-1 和 VE - 钙粘蛋白（细胞间连接蛋白），说明血管屏障功能已形成。 permeability 测试进一步证实，HBMECs 形成的屏障最 严密 70 kDa 的荧光 dextran（一种大分子物质）通过速度仅 3.93 0.13 m/min，接近真实脑部血管的屏障特性（血脑屏障）。

更关键的是，这些 活血管 能对血流做出反应。研究团队用计算流体力学（CFD）模拟发现，狭窄区域会出现 紊乱流 流速忽快忽慢，剪切应力骤降（从正常区域的约 4.7 Pa 降至狭窄处的 0 Pa 附近）。而实际灌注实验中，荧光微球的运动轨迹完美印证了这一模拟结果。

四、验证 炎症链条

有了能 感受 血流的活血管，研究团队终于能验证核心假设：狭窄引发的紊乱流是否会诱发内皮炎症？

结果清晰且有力：在狭窄区域，内皮细胞的炎症标志物 ICAM-1 和 VCAM-1 表达量显著上升 ICAM-1 较正常血管区域增加约 2.2 倍，VCAM-1 增加约 1.5 倍。这两种分子就像 炎症信号旗 ，会吸引免疫细胞黏附到血管壁，正是动脉粥样硬化等疾病的早期特征。

这一结果意义重大：它在体外模型中首次完整再现了 血管狭窄 血流紊乱 内皮炎症 的因果链条，证明了血流动力学变化是诱发血管病变的关键推手，而非单纯的 结构异常 。

五、不只是 打印血管 ，而是构建 疾病实验室

这项研究的价值远不止 造出一条血管 。与传统技术相比，它的优势在于：

更高的生理相关性：相比微流控芯片（通道尺寸固定，难模拟复杂狭窄），3D 打印的血管可灵活调整直径和狭窄程度，能覆盖更广泛的血流动力学场景（如不同程度的动脉粥样硬化）；

更强的生物活性：基于 VdECM 的墨水保留了血管特有的生化信号，比合成材料更能支持内皮细胞的自然行为；

更全面的可操作性：既能观察细胞形态变化，又能检测分子表达，还能通过调整流速、狭窄程度进行 变量控制实验 。

当然，研究仍有提升空间：目前的模型未包含血管壁的平滑肌细胞和免疫细胞，难以模拟完整的血管壁结构和全身免疫反应；去细胞化过程的批次差异可能影响结果稳定性。未来，结合器官芯片技术、引入更多细胞类型，或能进一步提升模型的复杂性。

但不可否认，这项技术为脑血管疾病研究打开了新大门。或许在不久的将来，医生可以用患者自身细胞 打印 出血管模型，测试哪种药物能最有效抑制炎症；工程师可以通过它优化血管支架的设计，减少植入后的血流扰动。

从 猪主动脉 到 人体血管副本 ，从 静态结构 到 动态响应 ，这项研究让我们看到：生物制造的浪漫，不仅在于 造出生命 ，更在于让我们能更温柔、更精准地对抗疾病。而这，正是科技献给健康的最好礼物。（100yiyao.com）

参考文献：

Wonbin Park, Min-Ju Choi, Jae-Seong Lee, et al. , Advanced Functional Materials (2025). DOI:10.1002/adfm.202504276.

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