一种用于模拟颗粒化组织的3D打印生物芯片模型，展示了这种方法的通用性

《Advanced Healthcare Materials》：A Sacrificial 3D Printed Vessel-on-Chip Demonstrates a Versatile Approach to Model Granulation Tissue

本研究通过3D打印结合多器官芯片技术，构建了血管化、纤维细胞共培养的水凝胶芯片，模拟健康和早期肉芽组织。结果显示，高纤维蛋白凝胶促进血管分支和炎症因子分泌，单核细胞在血流中分化为巨噬细胞并迁移入组织，验证了芯片在免疫相关疾病研究中的应用潜力。

　　在现代生物医学研究中，构建能够模拟人体组织和器官功能的体外模型已成为探索疾病机制、药物筛选以及个性化医疗的重要手段。然而，传统的体外模型往往缺乏血管网络，这限制了其在模拟真实生理环境中的应用。血管网络不仅在营养物质的输送和代谢废物的清除中起关键作用，还在免疫细胞的迁移和组织修复过程中发挥重要作用。因此，开发一种能够在多器官芯片（Multi-Organ-Chip, MOC）中生成血管化、免疫反应活跃的组织模型，是推动生命科学研究向前的重要方向。

本研究提出了一种结合3D打印技术和多器官芯片平台的方法，用于在芯片内部构建具有血管化结构的纤维细胞填充的结缔组织基质。该方法利用一种可溶解的、水溶性的聚乙烯醇（PVA）结构，作为牺牲模板被打印在芯片的特定区域，并在随后的步骤中被移除，从而在含有胶原蛋白和纤维蛋白的水凝胶中形成空心通道。这些通道随后被内皮细胞（Endothelial Cells, ECs）填充，模拟了血管的形成过程。通过调整水凝胶中纤维蛋白的浓度，研究人员成功构建了两种类型的水凝胶：一种用于模拟健康的组织状态，另一种则用于模拟早期纤维化组织（即早期颗粒组织）的特性。

研究中还利用了多器官芯片的特性，通过集成的微型泵系统实现了对水凝胶内血管的持续灌注。这种灌注不仅维持了细胞的代谢活动，还促进了血管网络的稳定形成。在为期7天的实验过程中，研究人员持续监测了多种代谢指标，包括葡萄糖消耗、乳酸分泌以及乳酸脱氢酶（LDH）的释放，以评估细胞的代谢状态和活性。结果显示，细胞在灌注条件下保持了良好的代谢活性，并且在第三天后代谢水平趋于稳定，直到第七天仍然维持在较高水平。这一发现表明，该芯片平台能够有效支持长期的细胞共培养。

此外，研究还评估了不同水凝胶组成对血管形态和纤维细胞行为的影响。在高纤维蛋白（F_high）水凝胶中，观察到明显的血管生成现象，内皮细胞不仅在通道壁上形成，还向水凝胶内部迁移，引发血管的扩张。同时，纤维细胞在高纤维蛋白水凝胶中呈现出更长的形态，而低纤维蛋白（F_low）水凝胶中的纤维细胞则更倾向于星形分布。这些形态学变化与水凝胶的物理性质密切相关，例如其硬度和结构稳定性。高纤维蛋白水凝胶的硬度显著低于低纤维蛋白水凝胶，这可能影响了细胞的迁移和血管的形成。

在免疫反应方面，研究还引入了来源于外周血液的单核细胞，并将其通过芯片内的血管网络进行循环。实验结果显示，这些单核细胞能够在芯片内分化为巨噬细胞，并通过内皮屏障迁移进入水凝胶中。在高纤维蛋白水凝胶中，巨噬细胞的分化程度更高，且表现出更强的M2型特征，这与抗炎和组织修复相关。这种细胞迁移现象进一步验证了该模型在模拟免疫反应中的有效性。

在实验过程中，研究人员还对流体动力学特性进行了分析，包括流速和剪切力。通过微粒子图像测速（μPIV）技术，他们发现水凝胶中的流速分布呈现出脉冲式特征，具有两个峰值和短暂的回流。这种流速模式与传统的非循环系统不同，能够更接近人体血管的流动特性。此外，计算流体力学（CFD）模拟进一步揭示了水凝胶通道内的剪切力分布，表明在通道的顶部和底部中心区域，剪切力显著高于两侧，这可能影响内皮细胞的排列和功能。

本研究的成果不仅在于成功构建了具有血管化和免疫反应能力的组织模型，还在于展示了如何通过调整水凝胶成分，灵活地模拟健康与疾病状态下的组织微环境。这种方法为未来开发更复杂的、具有免疫功能的体外器官模型奠定了基础，同时为研究炎症、免疫反应和组织修复等生理和病理过程提供了新的工具。此外，该方法具有较高的可重复性和可扩展性，适用于多种器官模型的联合研究，从而更好地模拟人体内多器官之间的相互作用。

在技术实现上，研究团队采用了一种高度集成的芯片平台，通过3D打印技术实现了血管结构的精确设计和制造。这种技术的灵活性使得研究人员可以轻松调整血管的形状和尺寸，以适应不同的实验需求。同时，该方法避免了传统方法中对复杂流体系统的依赖，简化了实验操作流程，提高了研究的可操作性和可重复性。

此外，研究还关注了实验中的变异性问题，包括不同实验之间的差异以及同一实验内部的重复性。通过比较不同条件下的代谢指标和细胞因子水平，研究人员发现，尽管存在一定的变异性，但整体趋势是稳定的。这表明，该方法在实验设计和数据分析方面具有良好的可控性和可靠性。

本研究的成果具有广泛的应用前景。例如，在药物筛选和毒性测试中，该模型可以用于评估药物对血管化组织的影响，以及药物在体内的代谢和分布情况。在疾病模型研究中，可以利用该平台模拟慢性炎症、纤维化等病理过程，从而深入理解疾病的发病机制。同时，该方法也为个性化医疗提供了新的思路，允许根据个体的生理特征定制体外模型，进而实现更精准的治疗方案评估。

总的来说，这项研究通过结合3D打印技术和多器官芯片平台，成功构建了一个具有血管化和免疫功能的体外组织模型。该模型不仅能够模拟人体组织的生理特性，还能够用于研究多种病理过程。通过调整水凝胶成分，研究人员能够灵活地构建不同的组织状态，为未来的生物医学研究提供了强有力的工具。这一成果标志着体外器官模型研究的一个重要进展，为更深入理解人体生物学和疾病机制提供了新的视角。