SA/PVA/明胶复合小直径血管移植物的同轴3D打印：机械强化与流固耦合效应分析

《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Coaxial 3D printing of SA/PVA/gelatin composite small-diameter vascular grafts: Mechanical reinforcement and fluid-structure interaction analysis

　　

杨若峰|唐豪宇|刘宇轩|徐浩|李宗义|吴奇龙|范玉丽|魏艳|梁自伟|黄迪

太原理工大学人工智能学院，纳米生物材料与再生医学研究中心，功能性蛋白质山西省重点实验室，生物医学工程系，中国太原030024

摘要

心血管疾病的高发率催生了对于小直径血管移植物（<6毫米）的迫切临床需求。然而，其临床应用仍受到若干挑战的制约，如机械性能不佳、血栓形成风险以及长期通畅性有限。此外，传统的实验方法往往无法完全捕捉到移植物在生理动态血流条件下的机械行为。本研究采用 coaxial 3D 打印技术制备了内径约为 2.8 毫米的人工血管移植物。我们首次将明胶整合到海藻酸钠（SA）/聚乙烯醇（PVA）复合生物墨水中，以克服传统 SA/PVA 支架固有的细胞粘附性差的问题。明胶的加入不仅显著提高了移植物的亲水性和机械性能（包括抗拉强度和弹性模量），还提供了能够主动促进内皮细胞粘附和增殖的 RGD 序列。通过循环冻融处理进一步改善了移植物的机械性能。进行了流体-结构相互作用（FSI）有限元模拟，以模拟血流条件下的应力-应变分布和结构稳定性。实验结果表明，明胶的添加提高了抗拉强度和弹性模量，使材料具有超亲水性，并增强了细胞粘附性。模拟表明，在生理流速下，移植物的最大壁应力和整体变形率符合临床标准。体外实验证实了该材料的优异血液相容性及其促进内皮细胞增殖的能力。

引言

心血管疾病（CVD）仍然是全球主要的死亡原因，对公共卫生构成重大威胁。其患病率急剧上升，从 1990 年的约 2.71 亿例增加到 2019 年的 5.23 亿例 [1]，目前占全球所有死亡人数的约 31% [2]。据预测，到 2030 年，CVD 每年将导致超过 2000 万人死亡 [3]，进一步巩固了其作为全球首要死因的地位 [4]。由于自体血管来源的稀缺，人工血管移植物已成为一种重要的治疗替代方案。虽然大直径移植物已在临床应用中得到广泛应用，但小直径血管移植物（<6 毫米）仍面临诸多挑战，如血栓形成、内膜增生和植入后的动脉瘤形成。因此，开发满足临床需求的高性能小直径血管移植物是生物医学工程领域的一个关键且紧迫的目标 [5],[6],[7],[8],[9],[11]。

两个关键领域的最新进展为应对这些挑战带来了巨大希望：首先，先进生物材料的发展，包括天然聚合物（如胶原蛋白、丝素纤维蛋白和海藻酸钠）以及合成可降解聚合物（如聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL）和聚glycolic acid（PGA）；其次，血管制造技术的创新，如静电纺丝、细胞自组装和快速 3D 原型制造。这些新材料和技术的结合显著提高了移植物的血液相容性和仿生功能，从而加速了高性能小直径血管移植物的发展 [12]。目前用于血管移植物的材料主要分为合成聚合物和天然聚合物，每种材料都有其自身的优势和局限性 [13],[14],[15],[16],[17],[18],[19]（表 1）。制造过程对于决定人工移植物的最终性能至关重要，其总体目标是准确模拟天然血管的复杂层次结构和生物机械功能。因此，有效的制造策略必须在结构完整性、孔隙率和生物相容性之间取得平衡。当前主流方法包括传统纺织方法、静电纺丝、3D/4D 打印和热诱导相分离（TIPS）[20],[21],[22],[23],[24],[25],[26],[27]（表 2）。其中，3D 打印技术因具有定制能力而在制造小直径血管移植物方面具有特别前景，为临床应用提供了广阔潜力 [11],[12]。

由于人工血管移植物将与血液和宿主组织直接且长时间接触，用于构建的材料必须满足严格的标准，不仅仅是优异的生物相容性，还包括高化学稳定性和最小的细胞毒性。对于小直径移植物而言，高血栓形成倾向、低长期通畅性和炎症反应倾向等持续存在的挑战使得材料选择成为一项关键的研究课题。因此，这一领域的主要目标是设计出在不牺牲基本机械完整性的前提下，能提供最佳生物性能的材料 [28],[29],[30],[31],[32]。

海藻酸钠（SA）是一种天然的线性阴离子多糖，因其良好的生物和物理化学性质而受到广泛关注，包括优异的生物相容性、低免疫原性、内在的抗凝潜力、高氧通透性、无毒性、可生物降解性和独特的离子交联凝胶化行为。SA 的水凝胶形成是由离子交联驱动的，聚合物链上的羧基团与钙离子（Ca2?）结合形成稳定的“蛋盒”结构，从而实现快速的网络组装 [33]。这种凝胶化过程在温和的水性条件下进行，可以对凝胶化动力学和最终水凝胶性质进行精确控制。由于其高安全性和通过 Ca2? 浓度调节机械性能和膨胀行为的可行性，SA 成为开发小直径血管移植物及其他心血管应用的有前途的材料平台。聚乙烯醇（PVA）是一种水溶性合成聚合物，也具备一系列理想的属性，如良好的生物相容性、低免疫原性、化学稳定性、强成膜能力、可控的降解性以及易于化学修饰。这些特性，加上其可调的交联行为，使 PVA 成为组织工程中用于接触血液的生物材料的理想候选材料，具有广泛的应用潜力。

多项研究报道了基于 SA/PVA 水凝胶的小直径血管移植物（SDVGs）的制造。例如，Xu 等人 [34] 和 Guo 等人 [35] 通过 coaxial 打印技术制备了 SA/PVA 基质的血管结构，显示出良好的机械性能和血液相容性。然而，这些富含羟基的表面通常会阻碍内皮细胞的粘附，这是影响长期通畅性的一个关键限制。此外，正如 Avci-Adali 等人 [36] 指出的，传统的体外内皮化策略（包括血管活检、细胞分离、扩增和支架接种）往往受到高昂成本、长时间处理过程以及细菌污染风险的制约，这些都限制了它们的临床应用。在这种情况下，计算建模成为预测生理条件下移植物性能的一种高效且经济有效的方法，在体内评估之前提供了关键见解。

为了解决这些问题，我们首次将明胶整合到 SA/PVA 系统中。明胶不仅增强了亲水性和机械性能，还提供了能够主动促进内皮细胞粘附和增殖的 RGD 序列。此外，与以往主要依赖实验表征的研究不同，本工作将实证数据与流体-结构相互作用（FSI）有限元模拟相结合。这种综合方法允许系统地评估生理相关流条件下的生物机械行为，为人工血管的设计和性能预测提供了更坚实的框架。

明胶是动物胶原蛋白的水解衍生物，是一种广泛用于生物医学的变性细胞外基质蛋白。它表现出优异的生物相容性、良好的生物降解性、热响应行为和低免疫原性，并且可以方便地进行化学修饰。明胶的一个关键功能优势在于其内在的 RGD（Arg-Gly-Asp）序列，这些序列能特异性地结合到细胞表面的整合素受体上，从而主动促进细胞粘附、扩散和组织再生 [37]。作为一种天然来源的蛋白质产物，明胶在人体组织中耐受性良好，其降解代谢产物无免疫原性、无毒且生物学上无害。这些特性使明胶成为设计生物医学支架和组织工程构造的多功能材料。

本研究旨在开发一种新型功能化的小直径血管移植物（图 1）。首先，使用海藻酸钠（SA）、聚乙烯醇（PVA）和明胶的复合生物墨水通过 3D coaxial 打印技术制备了初始管状结构。然后通过循环冻融处理改善了其机械性能。经过一系列表征后，确定了具有最佳整体性能的配方。最后，基于这一优化配方，在 Ansys 中进行了流体-结构相互作用（FSI）有限元模拟，以模拟移植物在生理流条件下的生物机械响应，从而评估其临床可行性。

部分片段

材料

海藻酸钠（SA）购自上海麦克林生化技术有限公司（中国上海）。明胶来自上海阿拉丁生化技术有限公司（中国上海）。聚乙烯醇（PVA）由上海泰坦科技有限公司（中国上海）提供。无水氯化钙和硼酸分别从上海阿拉丁生化技术有限公司（中国上海）和安徽天迪高纯溶剂有限公司（安徽安徽）获得。

结论

本研究成功使用海藻酸钠（SA）、聚乙烯醇（PVA）和明胶通过 coaxial 3D 打印技术制备出了小直径血管移植物（内径约 2.8 毫米）。系统地确定了最佳配方（9PVA:1Gelatin），并详细表征了其物理化学性质、血液相容性和细胞相容性。此外，还利用流体-结构相互作用（FSI）有限元模拟阐明了应力-应变关系。

CRediT 作者贡献声明

吴奇龙：可视化、验证。李宗义：可视化、验证、写作与编辑、可视化、验证、监督、项目管理、研究、资金获取、概念构思。范玉丽：可视化、验证。黄迪：可视化、验证、监督、资源协调、研究。梁自伟：可视化、验证、研究、概念构思。杨若峰：写作与编辑、初稿撰写、验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报道工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了 中国自然科学基金（资助编号：12272253 和 82103147）、山西省自然科学基金（资助编号：202203021221047、202503021211039）、山西省基础研究计划（资助编号：202403021223002）以及 山西省科技合作与交流计划（资助编号：202404041101047）和 三晋科技创新团队人才计划的支持。