通过内皮细胞覆盖的球状微组织组装构建血管化三维组织类似物

这篇研究创新性地结合预设挤出生物打印（preset extrusion bioprinting）与微流控乳化技术，成功构建了具有内皮细胞（EA.hy926）覆盖的球状微组织（core–shell spheroidal microtissues），并通过动态灌注培养形成功能性微血管网络。该技术突破了传统组织工程中血管化不足的瓶颈，实现了高细胞密度（5×107 cells mL?1）的体外三维肝组织（HepG2/C3A）培养，为人工器官（bioartificial organs）开发提供了新策略。

　　

1 引言

组织工程面临的核心挑战是如何在三维构建体中建立功能性微血管网络以支持大体积组织的存活。传统方法依赖支架（scaffold）的“自上而下”策略，但难以实现细胞精确定位和均匀营养输送。本研究提出“自下而上”的解决方案：通过组装内皮细胞覆盖的球状微组织，利用其融合过程中自然形成的间隙作为微血管通道，结合动态灌注培养（perfusion culture）实现全组织营养供给。

2 结果

2.1 技术策略

采用核心-壳层（core–shell）生物墨水设计：壳层为EA.hy926内皮细胞与I型胶原（atelocollagen），核心为HepG2/C3A肝细胞。通过低雷诺数流动的共轴挤出结合油相乳化，每分钟可生产45个直径约410 μm的微组织，且95%以上成功保持内皮覆盖结构。

2.2 结构稳定性

与非结构化微组织（non-structured spheroids）相比，核心-壳层微组织在21天培养中保持直径稳定（280 μm vs. 352 μm）和圆形度（circularity>0.9）。免疫荧光显示，内皮层有效抑制肝细胞外溢，而对照组在第14天出现形态崩解。

2.3 灌注培养优势

在3D打印的聚己内酯（PCL）培养腔中，800个核心-壳层微组织（26.6 mm³）经7天50 μL min^?1灌注后，保留明显的微组织间隙（10×镜下可见CD31⁺内皮化通道），而对照组因完全融合导致中心坏死（缺氧染色阳性）。将规模扩大至2400个微组织（79.3 mm³）并提升灌注速率至300 μL min^?1，可使全组织存活率>90%，且肝功能指标（白蛋白分泌量达15 μg day^?1，尿素合成量提高2.3倍）显著优于低灌注组。

3 讨论

该技术通过仿生微血管网络解决了高细胞密度（≈80%体积占比）组织的扩散限制问题，但机械强度（<1 N）仍低于天然组织。未来需探索基因交联（genipin）或纤维蛋白（fibrinogen）增强策略。灌注系统的液压控制精度也需优化，以模拟肝窦（2–4 mm Hg）的力学微环境。

4 结论

内皮覆盖的球状微组织组装技术为构建临床级血管化组织提供了新范式，在生物人工肝（BAL）等领域具有应用潜力。后续研究将聚焦原代细胞（primary hepatocytes）替代和宿主血管整合（host anastomosis）等临床转化关键问题。

5 实验方法

关键步骤包括：I型胶原中性化（pH 7.4）、微流控乳化（2% Span80矿物油）、3D打印培养腔（八边形出口设计200×400 μm）及ELISA检测（albumin/α1-抗胰蛋白酶）。统计采用t检验（p<0.05为显著）。