Science：多血管網絡和功能性血管內拓撲結構的生物相容性水凝膠
發布時間：2021-09-15 08:33:39 人氣：1237
一、文章概述
實體器官通過不同的血管網絡傳輸流體，這些血管網絡在生物物理和生物化學上糾纏在一起，形成了復雜的三維 (3D) 傳輸機制，這些機制仍然難以生產和研究。本文通過使用食品染料添加劑作為用于投影立體光刻的光吸收劑，通過光聚合水凝膠建立自由的血管內結構并設計多血管結構。本文展示了在幾分鐘內生產的整體透明的水凝膠，包括高效的血管內3D流體混合器和功能性二尖瓣。本文進一步從空間填充數學拓撲中詳細闡述了糾纏的血管網絡，并探索了潮氣式通氣和近端氣道擴張期間人類紅細胞的氧合和流動。此外，本文在慢性肝損傷的嚙齒動物模型中部署了結構化的可生物降解水凝膠載體，以突出這種材料創新的潛在轉化效用。
二、圖文導讀
圖1. 具有功能性血管內拓撲結構的水凝膠；(A) 具有可灌注通道的整體水凝膠，其中包含靜態元素，這些靜態元素迅速促進流體分裂和混合（如熒光成像所示），與流動的計算模型（比例尺，1 毫米）一致；(B) 在順行和逆行流（比例尺，500 μm）下將功能性 3D 二尖瓣集成到血管壁中的水凝膠，粒子圖像測速儀在打開的瓣葉后面的竇區中顯示出穩定的鏡像渦流。
圖2.糾纏的血管網絡(A到D)；數學空間填充曲線對水凝膠（20 wt% PEGDA，6 kDa）內糾纏血管拓撲結構的適應性：（A）軸向血管和螺旋；（B）互穿希爾伯特曲線；（C）雙連續立方晶格和（D）環面 和 (3,10) 圓環結（比例尺，3 毫米）；（E）軸向血管的鑲嵌及其沿蛇形路徑的環繞螺旋。該照片是制造的水凝膠的自上而下視圖，其中氧氣和紅細胞輸送到各個血管。在灌注過程中，紅細胞的顏色從深紅色（在紅細胞入口處）變為鮮紅色（在紅細胞出口處）（比例尺，3 毫米）；盒裝區域在（F）中放大（比例尺，1 毫米）；(G) 在出口處收集灌注的 RBC，并對 SO2 和 PO2 進行量化。 與在入口處灌注的脫氧紅細胞相比（虛線）和氮氣流陰性對照（N ≥ 3 次重復，數據為平均值 ± SD，*P < 2 × 10−7，Student s t 測試）。
圖3.具有血管化肺泡模型拓撲結構的水凝膠中的潮汐通氣和氧合；(A)基于Weaire-Phelan 3D 鑲嵌和拓撲偏移的肺泡模型拓撲結構設計，以推導出鞘管系統，剖視圖顯示了模型肺泡 (alv.) 與共享氣道心房。突出顯示氣道的凸（藍色）和凹（綠色）區域；(B) RBC 灌注過程中打印的水凝膠照片，同時氣囊用 O2 通風（比例尺，1 毫米）；(C) 用氧氣使氣道充氣后，氣道的凹形區域（黑色虛線圓圈）擠壓相鄰的血管并導致紅細胞清除（比例尺，500 μm）；(D) 氣道膨脹的計算模型表明凹面區域的位移增加（黃色虛線圓圈）；(E) RBC 的氧飽和度隨著 RBC 流速的降低而增加（N = 3，數據為平均值 ± SD，* P < 9 × 10−4 通過 Student t 檢驗），虛線表示在入口處灌注的脫氧 RBC 的 SO2 ；(F) 通過氣道的生成性生長、相對的入口和出口血管網絡的偏移生長以及具有遠端肺亞基的分支尖端的種群來制定肺模擬設計；(G) 遠端肺亞基由通過 3D 偏移和各向異性 Voronoi 鑲嵌在脈管系統中包裹的凹凸氣道組成；(H) 在 RBC 灌注期間含有遠端肺亞基的打印水凝膠的照片，同時氣囊用 O2 通風（比例尺，1 毫米）(I) 由 (H) 中的虛線框包圍的區域的閾值視圖顯示了通氣過程中的雙向 RBC 流動；(J) 遠端肺亞基可以穩定承受超過 10,000 個循環 (24 kPa, 0.5 Hz) 的通氣，并顯示 RBC 對通氣氣體（N2 或 O2）的敏感性。
圖4.功能性肝水凝膠載體的植入；(A到C) 白蛋白啟動子活性在含有肝聚集體的水凝膠載體中在植入裸鼠后增強，每個條件的所有時間點的數據顯示在 (B) 中 [N = 4，*P < 0.05];(D) 切除后水凝膠的大體圖像（比例尺，5 毫米）; (E) (左) 預血管化肝水凝膠載體是通過在打印后在血管網絡中接種內皮細胞 (HUVEC) 來創建的,（右）共聚焦顯微鏡觀察表明，水凝膠錨定物理截留含有肝細胞聚集體 (Hep) 的纖維蛋白凝膠（比例尺，1 毫米）; (F) 血管化肝水凝膠載體中的肝細胞在植入慢性肝損傷小鼠后表現出白蛋白啟動子活性, 用 H&E 染色的移植切片顯示肝臟聚集體（黑色箭頭）相對于載體系統（比例尺，50 μm）的印刷（病例、錨）和非印刷（纖維蛋白）組分的定位; (G) 水凝膠載體被宿主血液浸潤（總的，H&E）。載體包含表達標記細胞角蛋白-18 (Ck-18) 的聚集體，并且與 Ter-119 陽性 RBC 非常接近（比例尺，40 μm）。
三、全文總結
本文確定了廣泛用于食品工業的合成和天然食用染料可用作有效的生物相容性光吸收劑，它可以實現包含復雜和功能性血管結構的水凝膠的立體光刻生產。本文在食品添加劑中選擇了光吸收劑，其吸收光譜包含可用于生物相容性光聚合的可見光波長，并使用含有檸檬黃、姜黃素或花青素的水凝膠預溶液均制備了具有一定結構的水凝膠。除了這些有機分子，無機金納米粒子 (50 nm) 因其生物相容性和光衰減特性而被廣泛認為，也可作為一種有效的光吸收添加劑來生成可灌注水凝膠。本文使用食用染料作為光吸收劑，用于生產含有功能性血管拓撲結構的水凝膠，用于研究流體混合器、閥門、血管間運輸、營養輸送和宿主移植，通過立體光刻工藝，有可能對組織結構和生物材料進行同步和正交控制，以設計再生組織。
文章鏈接：
Doi:10.1126/science.aav9750.
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