动态共价交联正交生物墨水引导细胞区室化构建功能性类血管系统的研究

本研究开发了一种模拟细胞外基质（ECM）微观动态特性的GelMA-明胶-ODex（GGO）生物墨水，通过正交设计的互穿动态共价交联网络，实现了内皮细胞（HUVECs）和平滑肌细胞（VSMCs）的自发分选与区室化，成功构建具有组织学构型的功能性类血管系统。该生物墨水兼具剪切稀化和自愈合特性，显著提升3D生物打印精度和细胞存活率（>95%）。研究揭示局部黏着斑激酶（FAK）通路通过整合素介导的黏附和糖酵解上调参与形态发生过程，工程化血管在体外对血管紧张素II表现出收缩响应（5.73±2.77%），并在小鼠后肢缺血模型中显著改善血流灌注（p<0.01）。该策略为大规模组织工程提供了可设计的预血管化解决方案。

　　

动态共价交联正交生物墨水的创新设计
本研究突破性地开发了GelMA-明胶-ODex（GGO）互穿网络生物墨水系统。通过提高GelMA的甲基丙烯酸化程度，成功实现了动态共价交联与光交联网络的正交设计。傅里叶变换红外光谱（FTIR）在1730 cm^-1处羰基特征峰的消失证实了醛基与氨基的反应，而1644 cm^-1处的──N═C─特征峰验证了腙键的形成。流变学测试显示，GGO2.5、GGO3.5和GGO5水凝胶在室温下80秒内即可形成第一重动态网络，其储能模量（G'）在0.1-100 s^-1频率范围内保持稳定，展现出优异的机械稳定性。

血管形态发生的细胞动力学机制
在3D生物打印的血管网络中，人脐静脉内皮细胞（HUVECs）与血管平滑肌细胞（VSMCs）以2:1比例共培养时，5天内即可观察到类血管腔结构的自发形成。免疫荧光染色显示，α-平滑肌肌动蛋白（α-SMA）阳性细胞逐渐迁移至边缘形成外层覆盖，而CD31阳性HUVECs则在内侧有序排列，最终形成直径约310 μm的双层结构。值得注意的是，降低共价交联密度（GGO2.5）显著促进细胞增殖（88.95±4.49%，p<0.0001），并通过增加F-肌动蛋白网络连接面积（p<0.01）优化细胞组织。

FAK通路调控的代谢重编程
蛋白质组学分析揭示了血管形成的关键分子机制。与3D单培养相比，共培养系统中缺氧诱导因子-1（HIF-1）信号通路显著富集（p<0.01），糖酵解关键酶PFKFB3和HK2表达分别上调3.70倍和2.99倍。基因本体（GO）分析显示，整合素介导的细胞黏附、肌球蛋白II纤维组装等过程显著激活。这些发现阐明动态微环境通过FAK信号转导，耦合细胞代谢与细胞骨架重塑，驱动血管形态发生。

功能性验证与治疗潜力
工程化血管展现出类动脉的收缩特性，对血管紧张素II刺激产生5.73±2.77%的直径变化（p<0.05）。在裸鼠后肢缺血模型中，细胞负载的GGO移植组（GGO/C）术后14天即实现血流灌注恢复（p<0.01），28天时肢体挽救率达100%。更引人注目的是，构建的血管化皮肤使移植的人真皮成纤维细胞（HDFs）存活率提升3.65倍（p<0.0001），显著加速全层伤口闭合（75.53±2.83% vs 15.94±6.63%）。

这项研究开创性地将动态材料科学与发育生物学原理相结合，为复杂组织工程提供了可扩展的预血管化策略。通过模拟胚胎发生过程中的细胞自主组装机制，实现了从毛细血管到小动脉的多尺度血管网络构建，在再生医学领域具有重要转化价值。