摘要：血管生成在许多生理和病理过程中发挥着重要作用,但其机理仍不清楚。血管细胞在体内同时受到多种生物化学和生物力学刺激,处于复杂的微环境中,因此,在体外构建血管模型并重现其在体微环境,对探究血管生成机制十分必要。近年来,随着微加工和微流控技术的进步,各种体外微血管模型应运而生,对剪切力、渗流、血管生成因子浓度梯度等变量进行准确控制,极大地推动了血管生成的研究。本文综述各类微血管模型的构建方式、发展演化及其生物力学设计。

摘要：由于主动脉三维螺旋结构的存在,血流在心脏收缩期成旋动流态。这种旋动流态是人体的一种典型的血流形态,广泛存在于人体的动脉系统中。研究证明,旋动流有着多种积极生理意义,可以促进血液流动运输,抑制血流扰动,防止致动脉粥样硬化性脂质低密度脂蛋白在动脉腔表面的沉积,促进氧气输送到动脉壁的输运和减少血细胞在血管表面的黏附。本文对旋动流原理在临床上的潜在应用进行综述,以期能为血管疾病治疗方案及植介入器械的优化设计提供指导。

摘要：植介入手术是临床治疗心血管疾病的最重要手段之一。然而,血栓形成和血管内膜增生而致的再狭窄限制了血管支架、人造血管、机械瓣膜等植介入体的手术效果。尽管这一系列事件的相关机理并不十分清楚,但是血流动力学因素在其中起着关键的作用已成为不争的事实。为此,开展植介入体与血液和血管组织之间相互作用的研究无疑将利于临床手术方案的制定、促进植介入体的发展、提高植介入效果。另外,人体心血管系统经过长期的进化,在正常生理条件下,血管结构和血流特性已趋于最优,因此,基于血流动力学原理仿生设计的植介入体将符合血管本身的结构和功能。为此,开展了血管植介入体的生物力学分析和仿生设计。首先,使用数值仿真技术,研究了血管支架植入对局部血流的影响,发现支架植入会引起血流的扰动,控制支架局部的一氧化氮的浓度,导致支架植入的区域一氧化氮浓度分布不均,且浓度较低,从而形成促血栓的力学微环境。为了消除支架植入引起的局部扰流,设计了局部带孔的支架,数值仿真结果表明该种支架能够减少涡流区域,提高近壁面的壁面剪切力,降低震荡剪切指数[1]。另一方面,由于高剪切率会促进血小板激活,而低剪切率会加速血小板聚集,一般做法是避免在血管中形成这样的促血栓形成的力学微环境。拟将这样的力学微环境应用在动脉瘤治疗中,使用多层血管支架技术,使得在心脏收缩期血流剪切率提高到激活血小板,而在舒张期降低的血流剪切率促进血小板的聚集和黏附,从而在动脉瘤中形成稳定的血栓结构,希望达到治疗动脉瘤的目的。其次,器械表面的界面设计也是解决血栓形成一个思路,为此,受血管内皮细胞糖萼结构和功能的启发,构建了一种仿糖萼的液体移动界面[2]。血管内皮细胞糖萼是位于内皮细胞顶膜的一层绒毛状多糖蛋白和血浆的复合结构,研究表明糖萼可以作为选择性通透屏障,控制进入血管壁的大分子,还可以抑制血细胞对内皮细胞的黏附。作为初步研究,使用硅润滑剂孵育在多孔膜表面,形成了液体移动界面,该液面可阻止血细胞接触膜表面,防止血栓形成。近年研究发现,动脉系统的血流形态可能大多呈旋动流态。该旋动流态是结构与功能统一在心血管系统的体现。旋动流能使血管壁得到光滑冲刷,减小血液中有害物质在血管壁沉积,增强氧气的传输,抑制血小板和单核细胞的黏附[3]。基于旋动流重要的生理功能,设计了仿生旋动流的锥型螺旋人造血管,数值仿真结果表明,通过锥度可以实现旋动流强度的控调,随着锥度的增加,旋动流强度显著增加。在旋动流强度的增加作用下,搭桥血管和吻合处等容易堵塞的区域,血流的扰动急剧减小[4]。人体器官中的血管从动脉、毛细血管到静脉,其尺寸、结构和成分会连续变化,如何实现这种动态的结构一直是个挑战。基于微流控的三维生物打印技术,仿血管从三层结构到单层结构的动态调控[5]。打印了含有内皮细胞的内膜层和平滑肌细胞的中膜层,打印过程中细胞存活率高。打印完后立即测量细胞的存活率,发现细胞存活率可达93±2%,在培养的7~14 d过程中,细胞的存活率保持在85%~97%。通过对血管细胞的细胞核和细胞骨架进行免疫荧光染色,发现血管细胞在生物墨水中能够很好地铺展和增殖。该方法为制造组织工程人造血管提供了思路,该方法不仅能打印血管,还可以应用在尿道等其他管状结构的生物打印。

摘要：目的血流动力学在维持血管正常功能过程中起着至关重要的作用,当它们发生异常时,就会引起动脉粥样硬化、高血压、动脉瘤等心血管疾病。另外,心血管疾病相关药物的开发面临着巨大的挑战。因此,如何体外构建血流动力学环境可调,同时具有药物筛选功能的微环境一直是个挑战。本研究拟开发一种功能性动脉芯片,能够较为准确的控制剪切力与应变,可以研究不同的受力学响应的相关信号分子的表达,同时,开发的芯片具有控制药物浓度的功能,能够起到药物筛选的作用。方法:使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)设计了一种动脉芯片,该芯片包括上下层通道和中间的薄膜。运用微流控技术,可控制内皮细胞受到的剪切力和应变的大小,不仅能实现定常流,还能实现个性化的生理和病理流动剪切力和应变波形。使用该芯片,研究了这些不同力学环境下Ca2+、piezo1、YAP等生物学响应情况。另外,在可控力学环境下,从浓度,时间等方面控制药物释放。结果实现了动脉芯片对血流动力学环境的调控,人脐静脉内皮细胞在静止、流动和拉伸条件下生长良好,分别测定了Ca2+、piezo1、YAP在不同力学条件下的响应,可进行药物释放的控制。结论设计的动脉芯片具有较为可靠的控制血流动力学和药物释放的功能。

摘要：目的不同器官和组织的血液循环受损是导致肢体缺血,心力衰竭和中风等心血管疾病的主要原因。因此,在复杂结构(如肝脏,肾脏及心脏)内创建血管化的网络至关重要。3D生物打印平台已经成为可在微组织结构中创建高度有序的三维血管网络的优良平台,成功应用于功能性脉管系统的制造以模拟天然血管的力学特性及生物学性能。然而目前通过3D生物打印技术构建的微血管模型存在尺寸与人体真实微血管相差过大,且血管模型成管效果差的问题。本研究拟开发一种3D生物打印技术拟解决以上问题,实现微血管网络的三维生物打印。方法本研究基于微流控的方法,设计了具有个性化的微挤出式的打印喷头并与3D打印平台进行结合,制备出具有尺寸可调的高分辨率高精度的水凝胶纤维以模拟微血管结构,打印微血管网络,而后在流动的条件下培养3D生物打印的微血管,促进人脐静脉内皮细胞自组装成血管。结果生物打印的水凝胶纤维的精度可以达到20微米左右,与人体真实毛细血管尺寸接近,并能通过3D打印平台进行精确的沉积以实现较好的成型,生物打印的人脐静脉内皮细胞存活率较高,并能快速自组装成管状结构。结论本研究提出的3D打印方法有望打印具有功能性的高精度微血管网络。