思克莱德大学《AM》综述：牺牲性生物制造在血管化工程中的应用

摘要：血管是循环系统的重要组成部分，构成一个庞大的网络以促进血液在全身的运输。从下腔静脉（15-25毫米）到微小毛细血管（1-10微米）的层级化网络结构，对细胞供氧供能及代谢废物清除至关重要，确保三维组织的功能性。血管结构具有高度特异性：多数动静脉由三层结构组成——

仅供医学专业人士阅读参考

血管是循环系统的重要组成部分，构成一个庞大的网络以促进血液在全身的运输。从下腔静脉（15-25毫米）到微小毛细血管（1-10微米）的层级化网络结构，对细胞供氧供能及代谢废物清除至关重要，确保三维组织的功能性。血管结构具有高度特异性：多数动静脉由三层结构组成——内膜层（光滑内皮衬里以减少摩擦并保障血流效率）、中膜层（肌性层负责调节血管张力与管径）以及外膜层（结缔组织层提供机械支撑与弹性）；而毛细血管仅由基膜支撑的单层内皮细胞构成，这种特殊结构专精于血液与周围组织间的物质交换。血管网络在组织工程中具有关键作用，其通过高效营养交换、氧气输送及废物清除维持组织活性。构建仿生血管网络因此成为开发功能性组织工程产品的核心环节。牺牲性生物制造通过创建可移除的临时模板以形成精密血管通道，已成为工程化血管结构的有效方法。

来自英国思克莱德大学的Wenmiao Shu等团队系统综述了牺牲性生物制造的概念与定义，重点聚焦于血管化应用；基于不同类型外部刺激的常用牺牲材料进行全面梳理，简要介绍周围材料的分类与设计原则；总结用于加工牺牲材料的多种制造技术，并探讨该方法在疾病模型与再生医学中的多元化应用；最后针对血管制造需求，指出现有挑战并展望未来发展方向。相关工作以题为“Sacrificial Biofabrication for Vascularization: Concept, Materials, Technologies, and Applications”的综述文章发表在2025年09月09日的期刊《Advanced Materials》。

【创新型研究内容】

牺牲生物加工是一种新兴策略，通过引入可移除的临时组织模板形成中空通道，能有效克服上述诸多局限性而备受关注。尽管该策略近年来在血管网络构建领域得到广泛探索，但尚未被系统性地定义为统一术语。本综述提出"牺牲生物制造"这一新术语，旨在从概念层面整合该新兴研究领域的现有成果。生物加工通常指以活细胞和生物材料为基础构建单元，制造具有生物功能结构的工艺流程。虽然该技术已成为组织工程和再生医学的重要工具，但常面临分辨率不足、孔隙率欠缺及复杂通道网络构建困难等限制。牺牲生物制造通过创建并移除基于选择性预设图案的临时模板（图1），将减材制造与生物加工（多辅以增材制造技术）相融合，在结构保真度与功能复杂性之间架起桥梁。该策略突破了传统生物加工的局限，在血管化组织工程、再生医学和体外模型构建等领域展现出巨大潜力。

图1 牺牲性生物制造与生物制造、增材制造及减材制造之间的关系概念

本综述首次引入并定义了用于血管化的牺牲生物制造概念。随后全面概述了基于物理、化学及生物刺激的常用牺牲材料，简要探讨了周边材料的分类与设计原则。进而系统总结了牺牲生物制造主要技术及其优缺点对比，介绍了该策略在疾病模型与再生医学领域的应用（图2）。最后针对当前挑战提出解决方案，并对牺牲生物制造的未来发展前景进行展望。

图2 用于血管化的牺牲性生物制造中材料、技术及应用方案

【概念】

牺牲生物制造融合了生物制造和减材制造，通常需借助增材制造技术实现。该策略指在组织构建物内部制造临时结构，随后将其移除以形成孔洞、通道等功能性空间的生物制造方法。该方法于2004年首次在凝胶中成功构建空腔，2007年进一步应用于血管结构制造。图3展示了血管化牺牲生物制造的典型流程：首先将牺牲材料加工成特定形状的丝状体，随后通过浇铸或3D生物打印将周围材料包覆其外；移除牺牲材料后，即可形成复刻原始丝状体几何形态的血管网络。内皮化可通过两种方式实现：一是先构建通道再接种内皮细胞，通过灌注培养促进内皮化；二是将内皮细胞直接封装在牺牲材料内部——当牺牲材料在生理条件下发生原位液化时，嵌入的细胞会附着于新形成的通道壁实现内皮化。目前该领域已发展出一系列材料与技术，可制备具有精确几何形态的血管网络，在生物医学领域展现出巨大应用潜力。

图3 展示血管化牺牲性生物制造的技术路线图

【牺牲材料】

现有综述已从不同角度介绍了多种牺牲材料，如根据材料来源分为天然材料与合成材料，或按形态分为水凝胶与聚合物类。与之不同，本文主要依据外部刺激类型将牺牲材料分为物理触发型、化学触发型和生物触发型三类（图4）。手工提取法是通过手动或机械方式从周围结构中直接抽离材料，是最传统的去除方法。不锈钢针、聚酰胺鱼线、铂丝、琼脂糖以及聚二甲基硅氧烷（PDMS）等材料均可通过手工提取法制备通道。本综述所指牺牲材料特指通过外部刺激溶解或降解（而非物理移除）的材料，因此基于物理提取的材料不在讨论范围内。生物触发型牺牲材料指通过酶等生物刺激去除的材料。虽然生物刺激可视为化学刺激的子类，但其高效性和特异性值得单独分类。对于可通过多种方式去除的材料，按其最广泛应用的方法归类。本综述重点关注常用商用材料，定制化材料仅作简要介绍。

图4 常用牺牲材料基于不同类型的外部刺激响应机制

【周围材料】

利用牺牲性生物制造法制备血管化结构不仅依赖于牺牲材料，还需选择兼容的周围材料。这些材料在维持结构完整性、提高移除效率及确保生物功能性方面起着关键作用。本节简要介绍了周围材料的分类，并探讨了指导周围材料设计的原则（图5）。

图5 牺牲性生物制造中周围材料的分类体系与设计原则

【技术方面】

除选择合适的牺牲材料外，牺牲性生物制造的另一关键环节在于如何将材料塑形成血管网络模式。构建轮廓清晰的血管网络是制造功能性组织的基础。本节重点讨论将牺牲材料塑造成血管结构的技术手段。四种最常用的方法包括模具成型法、纺丝法、3D打印及生物打印技术（图6）。根据具体应用场景的不同，每种方法各具优势与局限性。下文将探讨各类方法的代表性案例，并评估其优缺点。由于血管网络的分辨率对模拟人体毛细血管尺寸至关重要，本文同时列出了各案例中无细胞血管结构的最小直径（Dv）及内皮化血管的最小直径（De）。

图6 塑造血管网络的牺牲材料加工技术方案，包括模具成型、纺丝技术、3D打印和生物打印

【成型技术】

成型是指将牺牲材料浇铸到预先设计的模具中，以定义血管形状。一旦固化，牺牲材料被封装在周围材料中，然后移除，留下用于血管化的中空通道（图7）。2007年，Tien等人首次通过牺牲生物制造技术，采用明胶作为牺牲材料，制备了血管网络。在这项研究中，明胶被微模塑成精确的网格，并封装在水凝胶（胶原/纤维蛋白原/基质胶）中，然后通过加热和冲洗移除，留下相互连接的微通道。该通道精确保留了原始明胶网格的结构细节，分辨率高达6微米，而在接种内皮细胞后增加到约50微米。除了网络形成外，研究还证明了将大分子和颗粒有效纳入通道，以及它们随后从通道扩散到周围凝胶基质中的能力。

图7 血管化牺牲性生物制造中四种技术（模具成型、纺丝、3D打印、生物打印）的示意图、应用实例及成血管直径数据

【应用领域】

牺牲性生物制造已被证明是在组织构建物中工程化血管系统的有效方法，广泛应用于生物医学的不同领域，如疾病建模和再生医学（图8）。研究显示疾病进展与组织内的血管网络密切相关。在疾病模型中，牺牲性生物制造技术能够复现真实的血管系统，为研究疾病机制和毒性筛选提供更精确的环境。这种方法有助于在高度模拟人体环境的条件下测试治疗干预措施，从而提供更可靠的治疗效果预测，同时减少对动物模型的依赖。通过重现组织复杂性，体外模型能够实现对人类发育过程及疾病机制的生理相关性模拟，并为评估药物毒性和治疗效果提供可扩展的研究平台。

图8 牺牲性生物制造在疾病模型与再生医学领域的应用

【未来的挑战】

牺牲性生物制造作为生物医学工程中的一种有效工具，为构建功能性血管系统提供了可行解决方案。该策略促进了复杂可灌注血管系统的开发，解决了传统方法面临的诸多局限性。尽管目前已有多种牺牲材料、包埋材料、制造技术和生物医学应用被报道，但仍有若干关键性挑战领域有待深入研究（图9）。

图9 从内皮化、材料体系和技术发展三个维度展望血管化牺牲性生物制造的未来前景

【细胞种植中的挑战】

内皮化对于血管系统的形成、完整性和功能至关重要。内皮细胞表现出多样化的表型，这些表型与各组织和器官的不同结构及代谢需求相对应。由于这种异质性，在体外使用器官特异性内皮细胞对于理解它们在疾病进展中的作用以及增强药物测试结果从实验室研究到实际应用的相关性至关重要。为了开发对药物开发、测试或分析早期疾病阶段有价值的人类体外模型，理解内皮细胞的异质性并选择相应的类型至关重要。细胞种植过程中的流体行为显著影响内皮化的均匀性。为了进一步研究这一过程，Nguyen等人采用电模拟渗透性（EPA）模型来模拟血管中的渗透流特性。如图10A所示，基于流体流动与电流之间的类比，血管网络中的流体流动被建模为一个多级π型滤波电路，从而能够分析压力分布和流动特性。关键的血管特性与电子元件类似：血管腔内流体流动的液压阻力由Rs（电阻器）表示，这与血管的长度、直径和流体粘度有关。流体的惯性效应被定义为L（电感器）。血管在压力变化期间的弹性由C（电容器）捕捉。此外，血管壁的粘弹性特性由Rp（并联电阻器）描述，而血管壁的渗透性由Rl（泄漏电阻器）反映。