圣母大学与哈佛医学院的研究人员合作开发出一种3D打印血管网络的方法，其分辨率接近人体最小血管的尺寸。这项发表在《自然·化学生物工程》上的研究成果，解决了组织工程中一个核心未解难题：如何构建足够精细的血管网络，以维持细胞在整个较大构建体中的存活，并借此推动生物打印组织向临床相关性迈进。

结合两项技术的定制打印机

研究人员自行设计了一套定制系统，将挤出式生物打印与气溶胶喷射打印相结合，而非改造商用生物打印机。挤出式打印负责处理较大的组织结构，而气溶胶喷射打印则能生成精细的牺牲通道，这些通道后续会转化为类似血管的通道。

该系统的成果是能够制造直径小于10微米的通道，在某些情况下可达5至6微米——这与人体组织中的毛细血管尺寸相当。打印过程中可调整通道的尺寸和几何形状，从而形成分支状、层级化的网络，更接近天然血管结构的架构。该技术不局限于单一血管尺寸：研究团队展示的网络范围从较大的类血管通道一直延伸至毛细血管级别的结构。

机器学习减少参数试错

该系统集成了贝叶斯优化，以识别生产特定尺寸通道所需的打印参数。根据研究，优化过程通常在大约八轮测试内收敛到合适的参数，从而减少了为满足不同通道规格而校准系统时本需进行的反复试错工作。

在实验室实验中，内皮细胞——即人体血管内壁的细胞类型——附着在通道壁上，沿结构扩散，并形成了具有与天然血管壁相似功能特性的连续内衬。研究团队还证明，液体可以流经打印出的网络，且细胞在生长过程中保持活力。

潜在应用与长期目标

这项研究是美国国立卫生研究院（NIH）今年早些时候宣布的一个更大型项目的一部分——一个为期四年、耗资260万美元的项目，旨在开发能够超越当前实验室工作典型小样本规模的功能性血管化组织。研究团队指出的近期应用包括药物测试和疾病建模，在这些应用中，血管化组织构建体可为研究人类疾病或评估疗法提供更符合生理条件的模型，从而减少动物试验或临床前研究的需求。长期目标是推进更大规模工程化组织的制造，并最终实现器官 fabrication。

保持组织存活：生物打印中的血管化难题

Yanliang Zhang 和 Yu Shrike Zhang 的这项工作填补了再生医学中一个公认的空白：生物打印组织一旦厚度超过几百微米，如果没有内部供血网络，就无法维持细胞存活。氧气和营养物质无法扩散足够远以到达较大构建体内部的细胞，同时缺乏移除代谢废物的通道，组织便会退化。圣母大学与哈佛医学院的合作直接针对这一问题，构建了一种混合打印系统，能够在软组织类材料中制造层级化血管网络——从较大的通道到毛细血管级别的通道——其长期目标是生产出足够大且稳定的、具有临床相关性的构建体。

其他学术团体通过不同的技术路径也追求着类似目标。哈佛大学威斯研究所开发了 co-SWIFT 技术，将相互连接的血管网络嵌入心脏组织内；而斯坦福大学的 Mark Skylar-Scott 团队则致力于开发加速血管网络设计的平台，并刺激生长那些过于精细而无法直接3D打印的血管。

所有这些努力共同面临的挑战是分辨率：大多数现有方法可以制造较大的类血管通道，但在毛细血管尺度上力不从心——在该尺度下，天然血管系统变得过于精细，无法仅通过传统挤出式打印来复制。圣母大学与哈佛医学院的混合方法——将气溶胶喷射打印与挤出式打印相结合，并利用机器学习来校准参数——代表了缩小这一差距最直接的尝试之一。

这项题为《毛细血管尺度层级化血管网络的混合生物打印》的研究由 Yuxuan Liao、Salvador Gallegos-Martínez、Xiao Kuang、Yipu Du、Yu Shrike Zhang 和 Yanliang Zhang 共同完成。