AHM | 通过3D打印肺动脉闭锁模型进行内皮细胞反应仿真，有效减少血管再狭窄

时间：2021-08-11 08:46 来源：南极熊作者：admin 阅读：次

埃默里大学医学院与佐治亚理工学院的Vahid Serpooshan和Holly Bauser-Heaton教授团队在生物材料领域期刊Advanced Healthcare Materials发表文章A 3D Bioprinted In Vitro Model of Pulmonary Artery Atresia to Evaluate Endothelial Cell Response to Microenvironment，应用DLP生物3D打印技术构建肺动脉闭锁体外模型，利用粒子图像测速法和计算流体动力学模型进行内皮细胞对微环境反应的仿真，研究复杂的心血管疾病，并可以直接改善血流紊乱疾病的手术计划的临床治疗。

文章简介

由于先天畸形或冠状动脉闭塞，血管闭锁通常通过经导管再通或外科血管吻合术治疗。然而，细胞对血管吻合或再通的反应在很大程度上是未知的，目前的技术依赖于恢复而不是优化流入闭锁动脉的流量。

对吻合后细胞反应的深入理解可能会有效减少血管再狭窄现象。这篇文章构建了一个体外模型，用于模拟肺动脉 (PA) 的吻合和程序规划，以减少血管再狭窄。分叉的 PA 在 3D 水凝胶结构中进行生物打印，以模拟重建的血管间连接。PA 模型接种人内皮细胞并以生理流速灌注以形成内皮。

粒子图像测速法和计算流体动力学模型在量化生物打印动脉内的流速和壁剪切应力方面表现出密切的一致性。这些数据可以用于识别剪切应力变化的最高值、易于狭窄的区域。

血管几何形状和血流动力学显着影响内皮细胞活力、增殖、排列、微毛细血管形成和代谢生物特征。这种集成的体外芯片模型（in vitro-in silico）方法建立了一个独特的平台来研究复杂的心血管疾病，并可以直接改善血流紊乱疾病的手术计划的临床治疗。

主要实验结果

生物3D打印PA体外模型：研究者采用DLP打印机，使用20%GelMA打印分叉吻合的 PA 闭锁模型，包含1根未闭锁血管，1根闭锁血管和1根与血管吻合的导管。本研究中打印的组织刚度范围相对高于报告的天然非患病 PA 刚度 (4-20 kPa )，但它与各种患病 PA 模型中报告的一致（50-100kPa）。

PA结构的流动血液动力学：PIV 流动可视化技术与 CFD 建模工具相结合，提供了一种强大的方法来分析和量化生物打印 PA 几何结构中已建立的肺连接内的血液（或培养基）灌注。总体而言，CFD 结果与速度和 WSS 的 PIV 测量和计算具有可接受的一致性，突出了 CFD 模拟对于有效预测和评估设计参数对流动性能的影响的重要性。这项工作中的选择性 CFD 研究展示了如何开发个性化的手术计划平台，以体外建模为指导，并通过计算优化方法有效地探索各种吻合场景，并确定最佳的术后流动特性。

PA模型的生物学特性：生物分析结果表明，在流动条件下培养的 PAA 构建体中的 HUVEC 表现出比静态条件下更有效的代谢。这些结果表明，包含连续流动提供了一个更具生理相关性的微环境，鼓励细胞在经历细胞生长的同时保持稳定的新陈代谢。它还表明，适当设计的工程组织可以概括体内组织/器官的生理复杂性。在未来的工作中，这种分析可以非常有效地设计和开发维持理想代谢环境的喂养策略。

文章总结

基于最先进的 3D 生物打印和生物反应器技术的多用途可灌注血管化组织平台可用于复杂血管闭锁的建模和治疗计划。在这个模型中，我们将人类内皮细胞纳入生物打印设计，以实现简化的基于细胞的血管模拟。这些模型还可以大量可靠地进行生物打印，以进行具有统计意义的多维分析。此外，血管模拟物可以很容易地以仿生流速灌注。我们希望我们在这里的发现能够促进对血管狭窄治疗在手术和经导管干预开发、药物治疗和绘制细胞相互作用方面产生积极的转化影响。特别是该模型可以提供对受影响脉管系统分叉和三叉区域的血管功能和血流改变的术后影响的重要参考依据。

参考文献

Tomov, M. L., Perez,L., Ning, L., Chen, H., Jing, B., Mingee, A., Ibrahim,S., Theus, A. S., Kabboul, G., Do, K., Bhamidipati, S.R., Fischbach, J., McCoy, K., Zambrano, B. A., Zhang,J., Avazmohammadi, R., Mantalaris, A., Lindsey, B.D., Frakes, D., Dasi, L. P., Serpooshan, V., Bauser-Heaton,H., A 3D Bioprinted In Vitro Model of Pulmonary Artery Atresia to EvaluateEndothelial Cell Response to Microenvironment. Adv. Healthcare Mater. 2021,2100968. https://doi.org/10.1002/adhm.202100968

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