斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出3D打印心臟血管網(wǎng)絡(luò)快速成型技術(shù)

來源：EFL生物3D打印與生物制造

當(dāng)前，人類在生產(chǎn)大規(guī)模生物制造器官時(shí)，面臨血管化和灌注不足的重大挑戰(zhàn)，尤其是為任意復(fù)雜幾何形狀設(shè)計(jì)和打印能滿足充分灌注的血管網(wǎng)絡(luò)極為困難。現(xiàn)有方法如晶格設(shè)計(jì)難以復(fù)現(xiàn)天然血管拓?fù)浜脱�流�?dòng)力學(xué)，無法滿足臨床相關(guān)細(xì)胞密度的代謝需求，而像CCO等血管生成算法存在構(gòu)建時(shí)間長(zhǎng)、處理非凸形狀能力有限且無法預(yù)測(cè)多尺度血流動(dòng)力學(xué)等缺陷。為此，斯坦福大學(xué)Mark A. Skylar-Scott和Alison L. Marsden教授團(tuán)隊(duì)，引入模型驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)平臺(tái)，結(jié)合CCO方法、多保真計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬及三維生物打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了器官規(guī)模合成血管網(wǎng)絡(luò)的快速生成，解決了現(xiàn)有算法效率和幾何適應(yīng)性問題，提升了生物制造組織中細(xì)胞 viability。相關(guān)工作以“Rapid model-guided design of organ-scale synthetic vasculature for biomanufacturing”為題發(fā)表在2025年6月12日的《Science》上。

研究?jī)?nèi)容
通過模擬和分析運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)比了晶格和合成血管策略在凸形（立方體）和非凸形（雙心室）幾何中生成的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，評(píng)估了阻力導(dǎo)致的能量損失、流量分布均勻性、血管內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸和組織灌注情況。結(jié)果表明，在固定總血容量下，晶格設(shè)計(jì)比合成樹網(wǎng)絡(luò)具有更高的標(biāo)稱凈液壓阻力，且流量分布變異性更大，非凸幾何中這些差異更明顯。

圖1. 合成血管工具包的灌注性能和能力。  

通過引入部分綁定優(yōu)化、部分隱式體積、碰撞避免和閉環(huán)血管這四個(gè)關(guān)鍵特征，研究團(tuán)隊(duì)測(cè)試了合成血管樹生成的加速技術(shù)，在10個(gè)工程幾何和200多個(gè)解剖腦區(qū)域進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果顯示，該技術(shù)將生成8000個(gè)終端樹的時(shí)間從59.96小時(shí)縮短到中位數(shù)15分鐘，能高效處理非凸形狀并生成閉環(huán)灌注網(wǎng)絡(luò)。

圖2. 合成血管加速技術(shù)的性能。  

通過自動(dòng)化將離散血管樹轉(zhuǎn)換為水密網(wǎng)格，結(jié)合開源SimVascular管道進(jìn)行3D有限元、1D和0D血流模擬，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)不同幾何形狀的血管網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多保真度 hemodynamics 建模。結(jié)果表明，該方法能高效捕獲壓力、流速和壁面切應(yīng)力分布，適用于低雷諾數(shù)場(chǎng)景的血流分析。

圖3. 自動(dòng)多保真血流動(dòng)力學(xué)建模。  

通過在非凸雙心室和環(huán)形幾何中計(jì)算生成具有10⁴到10⁶個(gè)終端血管的合成血管，并使用嵌入式3D打印技術(shù)將其打印到水凝膠支持浴中，研究團(tuán)隊(duì)展示了快速可擴(kuò)展的方法。結(jié)果表明，打印的血管網(wǎng)絡(luò)具有良好的結(jié)構(gòu)完整性，為組織工程應(yīng)用提供了實(shí)用模型。

圖4. 血管模型算法生成和生物打印的可擴(kuò)展血管密度。  

通過FRESH打印、染料灌注、CFD模擬和細(xì)胞存活實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)生物打印的血管模型進(jìn)行灌注和細(xì)胞活性驗(yàn)證。結(jié)果表明，灌注顯著維持了環(huán)形核心區(qū)域的高細(xì)胞活性， 灌注組織的存活細(xì)胞數(shù)比培養(yǎng)基對(duì)照組高417倍，證明了合成血管在組織工程中的實(shí)用價(jià)值。

圖5. 生物打印血管模型的灌注和生存能力。

研究結(jié)論
本研究表明，工程化器官規(guī)模組織的未來依賴于強(qiáng)大的軟件基礎(chǔ)設(shè)施，以通過基于物理的功能目標(biāo)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證血管網(wǎng)絡(luò)。本研究提出了一個(gè)全面的模型驅(qū)動(dòng)管道，可在任意幾何形狀中高效生成血管，創(chuàng)建適合生物制造的水密模型和用于高級(jí)多保真血流動(dòng)力學(xué)模擬的數(shù)字孿生。盡管本研究還提出了一種生物制造可灌注血管樹的方法，但具有較小直徑血管的大型復(fù)雜樹構(gòu)建緩慢，且打印不準(zhǔn)確性可能導(dǎo)致不連續(xù)或堵塞，從而抑制灌注。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，工程化組織有望在患者特定干預(yù)中替代受損或患病器官，而驗(yàn)證此類生物制造構(gòu)造將需要在資源密集型制造之前進(jìn)行模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)。本研究的模型驅(qū)動(dòng)管道可在普通計(jì)算硬件上于數(shù)分鐘內(nèi)創(chuàng)建復(fù)雜的合成血管模型，為未來合成血管結(jié)構(gòu)在生物制造和患者特定建模中的廣泛應(yīng)用擴(kuò)展了更廣泛血流動(dòng)力學(xué)分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化的潛力。

文章來源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj6152