以下文章來源於nanomicroletters ，作者納微快報
血管對於營養物質和氧氣的輸送和廢物的清除至關重要。具有功能性血管網絡的骨修復材料被廣泛應用於骨組織工程中。增材製造是一種將物質逐層堆疊生成三維固體的製造技術，主要包括但不限於3D列印，也包括4D列印、5D列印和6D列印。它可以通過精確調整智能血管的力學結構和生物學特性，實現血管化來滿足組織的需要。
/ 文章亮點
/ 內容簡介
智能血管網絡的修復材料被廣泛應用於組織工程中。上海交通大學瑞金醫院崔文國等系統地從新生血管發生髮展到骨組織工程，討論了血管化對組織的重要性。此外，重點介紹了血管化3D列印支架的研究進展和未來前景，將其分為了四類：功能性血管化3D列印支架、基於細胞的血管化3D列印支架、特殊載體的血管化3D列印支架和仿生血管化3D列印支架。最後，簡要回顧了血管化3D組織工程在心血管系統、骨骼肌、軟組織等相關組織中的應用，並討論了智能血管化組織所帶來的挑戰和機遇。
/ 圖文導讀
I「 組織修復與重建中的血管化研究」
本文以骨組織為例，簡要探討了血管化對組織的重要性：新生血管化和發育、組織中的特殊血管網絡、血管化和組織修復、血管化和組織工程以及骨組織細胞的血管化及生化微環境。
圖1.骨組織中血管的形成和功能。a血管生成和血管生成。有兩種不同的血管形成機制。在胚胎髮生期間，血管形成過程中產生原始血管叢。在腫瘤和缺氧條件的刺激下，血管生成重塑和擴大了血管網絡；b與骨內血管相關的血管周圍細胞。較大的動脈被H型毛細血管的平滑肌細胞所覆蓋，而間充質細胞分布在正弦型l型血管上；c膜內血管生成的圖示。間充質細胞濃縮形成海綿狀結構，並分化成骨祖細胞和成骨細胞。
II「 3D列印技術與材料」
圖2. 3D列印的技術。擠出式列印(a)、基於擠壓的列印(b)和雷射輔助列印(c)復合材料(d)天然材料(e)無機材料(f)和有機材料(g)。
III「功能化的3D列印支架促進組織血管化」
血管網絡的建立在骨生長和骨再生中起著重要作用。雖然3D列印支架的多孔結構對骨修復有積極的影響，但表面活性基團的缺乏降低了支架血管化的能力，從而阻礙了整個骨修復過程。引入生物活性基團是一種有效的方法，使惰性表面具有理想的生物特性。研究人員一直在通過物理摻雜和化學方法在壓片上修飾活性基團，以賦予3D列印支架血管化能力。到目前為止，所報道的功能化方法包括金屬、活性藥物、蛋白質或多肽和生長因子。
圖3. 基於金屬和藥物修飾的血管化3D列印網絡的方法。a 一個金屬離子在3D列印支架上的修飾示意圖；b 樣品的製備工藝和掃描電鏡示意圖。c、d 金屬離子的光學圖像和釋放實驗；e 3D列印PCL的示意圖及其在骨缺損模型中骨再生的生物學功能；f 對骨缺損部位內形成的新血管進行CT掃描後的x線及重建的圖片；g 雙鈣黃綠素標記的新形成骨的組織學。
圖4. 通過多肽和生長因子嫁接的表面功能化。a 納米塗層改性三維列印製備過程和納米塗層生長因子的釋放的示意圖；b 納米塗層在2周內釋放大量蛋白質；c 3D列印支架上的hMSCs和HUVECs的螢光圖像。
IV「特殊載體負載的3D列印支架促進骨組織血管化」
成骨過程是與血管化緊密偶聯的，但如何在3D列印支架中做到有效徹底的血管化是近期研究的重點。目前研究最多是將可血管化的活性小分子物質通過合適的載體與3D列印支架進行結合，達到一個持續穩定的控釋效果，使得支架獲得血管化能力。常用的活性小分子包括：藥物(DFO、辛伐他汀)、生長因子(VEGF)等。我們常用得載體大致可分為三類，分別是水凝膠、微球、納米顆粒(脂質體、外泌體)。
圖5. 特殊載體的3D列印支架。a 設計一個受「蓮蓬」啟發的內部血管化3D列印生物陶瓷支架的示意圖，具有內部血管化和成骨功能；b GelMA微球的螢光顯微鏡圖像；c 體外釋放模式；d 通過DLS表征脂質體顆粒；e 雙鈣黃綠素標記及定量結果；f 血管生成和骨生成相關基因的免疫螢光染色；g 工程外泌體增強成骨和血管生成的示意圖；h 透射電鏡圖像和i 外泌體的蛋白質標記物。
V「 細胞修飾的3D列印支架促進骨組織血管化」
理想的骨支架材料除了需具備良好的生物相容性、生物活性、生物可解性及機械支撐作用外，還需滿足血管和骨長入的條件。構建具有生物活性的能快速被血管化的組織工程支架，支架材料和種子細胞必不可少。在骨組織工程中，最廣泛被用來誘導血管化成骨的細胞是間充質幹細胞和內皮細胞。間充質幹細胞的主要來源有骨髓、脂肪組織、臍帶、胎盤等。在這裡我們著重介紹BMSCs，它的生物學特性主要包括成骨分化、再生潛能和定向遷移能力，可產生相應的生長因子及細胞因子促進骨損傷的修復。內皮細胞是血管形成過程中必不可少的細胞。在骨組織工程中由於內皮細胞的存在，3D列印支架可以迅速的形成血管網絡，並與宿主循環系統相結合，為缺損部位提供營養，快速轉運代謝廢物，加快骨修復。根據3D列印墨水的成分主要分為三類，分別為「細胞」修飾的3D列印支架、復合細胞墨水的3D列印支架和「基因」修飾細胞墨水的3D列印支架。
圖6. 基於細胞和基因的生物活性3D列印血管網絡。a 基於細胞的生物墨水列印過程和微觀結構圖像的示意圖；b 含有人臍帶間充質幹細胞(HUMSC)的修復性水凝膠血管皮瓣的製備示意圖；c 活死染色觀察水凝膠支架的出芽；d，e 共聚焦顯微鏡圖像追蹤水凝膠微管隨時間的變化。白色三角形箭頭表示尖端細胞。
VI「仿生的3D列印支架促進骨組織血管化」
圖7. 結構仿生的3D列印。a 一種具有獨特的核-殼復合結構的中央血管化組織工程骨移植物的實驗設計；b 植入細胞的3D列印支架粘附；c 在兔股骨缺損模型中，通過增強顯微CT成像評價不同類型股骨的新生血管形成；d 實驗設計示意圖；e 支架頂部、中、底部的後向散射掃描電鏡軸向切片，具有高倍放大區域。
圖8. 結構仿生的3D列印。a 蓮藕微觀結構的功能圖式及蓮藕樣仿生材料在組織再生中的應用；b 仿生骨的組織學切片的螢光圖像以及新形成的骨組織的顯微CT分析；c 哈弗氏仿生支架的生物列印過程；d 哈弗氏仿生支架的組織學研究，以評估血管生成和成骨特性。
VII「4D列印的血管化支架」
圖9 4D列印血管化支架在組織工程中的應用示意圖。a 一種自摺疊水凝膠基(細胞裝載)管的四維生物製造方案；b 自摺疊水凝膠管(充滿細胞)的響應性；c 培養1d的(左柱)、2d(中柱)和7d(右柱)後細胞負載管的代表性螢光顯微鏡圖像；d 鹼性磷酸酶和凝血酶4D活性；e 四維物體的順序催化活性導致纖維沉積和鈣化。
VIII「血管化增材製造支架在其他組織工程領域的應用」
圖10 血管化增材製造-支架在相關領域的應用示意圖。a 一種具有獨特的4D自變形能力的心臟貼片；b 3D列印骨骼肌的仿生肌纖維結構；c 血管化軟組織；d 產氧的血管化3D列印支架；e 患者特殊主動脈根部模型，內部傳感器；f 內皮化血管床。
原論文信息：
Intelligent Vascularized 3D/4D/5D/6D‑Printed Tissue Scafolds
Xiaoyu Han, Qimanguli Saiding, Xiaolu Cai, Yi Xiao, Peng Wang, Zhengwei Cai, Xuan Gong, Weiming Gong*, Xingcai Zhang* & Wenguo Cui*
Nano-Micro Letters (2023)15: 239
https://doi.org/10.1007/s40820-023-01187-2