《npj Biomedical Innovations》：Challenges and opportunities in generating microvasculature using bioprinting techniques
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成功的组织移植需要在工程化组织内形成微血管系统。然而，可灌注微血管网络的形成及其移植后与宿主组织的整合仍然是主要挑战。研究人员概述了当前用于工程化微血管结构的生物打印方法，并讨论了它们的优势与局限性。研究人员进一步强调了本实验室开发的Kenzan方法在无支架微
成功的组织移植需要在工程化组织内形成微血管系统。然而，可灌注微血管网络的形成及其移植后与宿主组织的整合仍然是主要挑战。研究人员概述了当前用于工程化微血管结构的生物打印方法，并讨论了它们的优势与局限性。研究人员进一步强调了本实验室开发的Kenzan方法在无支架微血管组织制造中的应用，并讨论了血管化组织工程的未来前景。
组织工程中微血管网络的构建是实现人工组织成功移植的关键，但现有方法面临可灌注微血管网络形成及与宿主整合的难题。论文《npj Biomedical Innovations》综述了当前生物打印技术在生成微血管系统中的应用，重点介绍了挤出式生物打印（extrusion-based bioprinting）和光基生物打印（light-based bioprinting）等基于支架的方法，以及无支架的Kenzan方法（Kenzan method）。研究指出，尽管这些技术在高精度、高分辨率微血管结构制造方面取得进展，但仍存在细胞密度不足、机械强度弱、长期功能维持困难等挑战。通过优化球体（spheroid）组成和结构性设计，并整合微流控（microfluidics）、灌注系统及人工智能（AI）技术，有望实现功能化血管化组织的构建。
**研究背景与问题**：组织工程依赖血管网络为高代谢器官（如肝、心、肾）提供氧气和营养，但早期通过内皮细胞（endothelial cells, ECs）接种或生长因子释放的方法难以形成稳定、可灌注的微血管结构，且易导致血管排列紊乱。因此，开发能够精确控制微血管架构（直径<100 μm）的生物制造策略成为迫切需求。
**主要关键技术方法**：（不超过250字）研究人员综述了多种生物打印技术：挤出式生物打印通过多喷嘴或同轴打印头与牺牲材料（如Pluronic F-127）结合，构建管状结构，但分辨率受限于喷嘴直径；嵌入式打印（如FRESH和SWIFT）利用支撑浴稳定打印丝，实现更小尺寸（~20 μm）的微通道。光基生物打印包括立体光刻（stereolithography, SLA）、数字光处理（digital light processing, DLP）和双光子聚合（two-photon polymerization, 2PP），可实现高精度（10–30 μm）微通道制造，但存在细胞损伤和材料选择限制。无支架的Kenzan方法通过将球体依次排列在微针阵列（Kenzan）上，利用球体融合和自组织形成组织，无需外源支架，但通量低且分辨率受限于微针间距。此外，微流控平台和灌注系统用于模拟流体剪切力，促进血管成熟。
**研究结果**：
- **血管结构特征**：研究人员介绍了天然血管的层次化结构（动脉、微动脉、毛细血管、微静脉），指出工程化微血管需模拟内皮屏障功能、剪切力响应及细胞间相互作用，当前生物打印主要关注几何形成，尚无法完全复制生物学功能。
- **基于支架的微血管组织工程**：
- **挤出式生物打印**：使用同轴喷嘴和牺牲墨水（如明胶）制造含EC的管状结构（直径~900 μm），并通过聚己内酯框架增强机械稳定性。嵌入式打印（FRESH）可制造直径~20 μm的纤维，并促进内皮迁移和血管新生（angiogenesis）。SWIFT技术在高密度细胞球体浴中制造可灌注微通道，结合同轴牺牲打印可实现分层血管网络，但尺寸仍限于数百微米。此外，通过将成纤维细胞衬里通道与EC化通道相邻放置，利用血管生成梯度诱导内皮出芽，移植后血管生成增加两倍。
- **光基生物打印**：SLA和DLP可制造500 μm至200 μm的微通道及复杂分支网络，DLP还实现了嵌入式双尖瓣结构。2PP利用飞秒激光实现纳米精度，制造10–30 μm微通道，EC球体在其中形成血管样衬里，并建立微血管屏障结构。然而，光基打印面临UV损伤、细胞折射率失配导致散射等问题，可通过光抑制添加剂改善分辨率。
- **挑战**：挤出式打印在高细胞密度下易堵塞，剪切应力损伤细胞；光基打印细胞活力受限，且内皮化（endothelialization）后促进无渗漏功能性微血管形成仍困难。
- **无支架方法**：
- **Kenzan方法及生物3D打印机**：Kenzan方法将多细胞球体置于微针阵列上，通过球体分泌细胞外基质（extracellular matrix, ECM）和自我融合形成组织，已用于构建软骨、血管、神经等。自动化设备“Regenova”由Cyfuse Biomedical商业化，能生成从简单管状到多层气管样等复杂结构。临床前研究显示，生物3D导管促进神经再生，表现为髓鞘轴突增多、施万细胞表达增强。
- **球体与结构设计**：通过将EC、平滑肌细胞（SMCs）和成纤维细胞组合成多细胞球体，构建内径1.5 mm的管状结构，免疫组化显示自组织血管样结构，移植后保持通畅。将间充质干细胞（MSCs）与EC和肝细胞共培养，球体尺寸可扩展至500 μm，细胞分选现象（肝细胞迁移至表面，MSCs和EC位于核心）可能缓解缺氧并促进血管化。多孔结构设计（如微间隙）允许培养基流动，产生剪切力，诱导EC向球体外周迁移，形成微血管网络。此外，加入脂肪干细胞（ADSCs）可模拟周细胞（pericyte）功能，促进血管形成和ECM分泌。
- **挑战**：Kenzan方法通量低（每个球体约13.8秒），且物理穿刺可能损伤细胞。球体直径通常为500–700 μm，超过扩散限制（400–500 μm）易导致中心缺氧，因此需优化球体大小和组成。分辨率受限于微针间距（~500 μm），难以实现高精度结构。
**展望与结论**：研究指出，简单几何制造无法保证长期血管功能，需结合微流控和灌注系统提供物理刺激（如流体剪切力），通过Piezo1和PECAM-1/VE-cadherin/VEGFR2通路促进内皮排列和血管稳定。FRESH与微流控系统结合已实现厘米级胶原支架中可灌注通道，并验证了胰岛素分泌功能。机械强度方面，双交联水凝胶（如GelMA与光引发剂组合）可承受高达290 mmHg的爆破压力。细胞生产需规模化，搅拌式生物反应器可实现~10亿个诱导多能干细胞（iPSCs）的收获。原位生物打印（in situ bioprinting）结合AI实时监控，如Segment Anything Model，有望提高打印精度和临床可靠性。
**结论翻译**：总之，尽管血管组织工程在过去十年取得了显著进展，但在实现临床应用之前仍面临许多挑战。如上所述，各种技术策略提供了超越单纯模拟解剖形态的、实现功能性可移植人工组织的潜在途径。因此，与其依赖单一技术，整合微流控、混合生物打印工艺和高度功能性生物材料等多元化方法的“优化策略”，可能是实现患者定制化临床目标的最可靠途径。
