实体器官通过不同的血管网络传输流体，这些血管网络在生物物理和生物化学上纠缠在一起，形成了复杂的三维 (3D) 传输机制，这些机制仍然难以生产和研究。本文通过使用食品染料添加剂作为用于投影立体光刻的光吸收剂，通过光聚合水凝胶建立自由的血管内结构并设计多血管结构。本文展示了在几分钟内生产的整体透明的水凝胶，包括高效的血管内3D流体混合器和功能性二尖瓣。本文进一步从空间填充数学拓扑中详细阐述了纠缠的血管网络，并探索了潮气式通气和近端气道扩张期间人类红细胞的氧合和流动。此外，本文在慢性肝损伤的啮齿动物模型中部署了结构化的可生物降解水凝胶载体，以突出这种材料创新的潜在转化效用。
图1. 具有功能性血管内拓扑结构的水凝胶；(A) 具有可灌注通道的整体水凝胶，其中包含静态元素，这些静态元素迅速促进流体分裂和混合（如荧光成像所示），与流动的计算模型（比例尺，1 毫米）一致；(B) 在顺行和逆行流（比例尺，500 μm）下将功能性 3D 二尖瓣集成到血管壁中的水凝胶，粒子图像测速仪在打开的瓣叶后面的窦区中显示出稳定的镜像涡流。
图2.纠缠的血管网络(A到D)；数学空间填充曲线对水凝胶（20 wt% PEGDA，6 kDa）内纠缠血管拓扑结构的适应性：（A）轴向血管和螺旋；（B）互穿希尔伯特曲线；（C）双连续立方晶格和（D）环面 和 (3,10) 圆环结（比例尺，3 毫米）；（E）轴向血管的镶嵌及其沿蛇形路径的环绕螺旋。该照片是制造的水凝胶的自上而下视图，其中氧气和红细胞输送到各个血管。在灌注过程中，红细胞的颜色从深红色（在红细胞入口处）变为鲜红色（在红细胞出口处）（比例尺，3 毫米）；盒装区域在（F）中放大（比例尺，1 毫米）；(G) 在出口处收集灌注的 RBC，并对 SO2 和 PO2 进行量化。 与在入口处灌注的脱氧红细胞相比（虚线）和氮气流阴性对照（N ≥ 3 次重复，数据为平均值 ± SD，*P < 2 × 10−7，Student s t 测试）。
图3.具有血管化肺泡模型拓扑结构的水凝胶中的潮汐通气和氧合；(A)基于Weaire-Phelan 3D 镶嵌和拓扑偏移的肺泡模型拓扑结构设计，以推导出鞘管系统，剖视图显示了模型肺泡 (alv.) 与共享气道心房。突出显示气道的凸（蓝色）和凹（绿色）区域；(B) RBC 灌注过程中打印的水凝胶照片，同时气囊用 O2 通风（比例尺，1 毫米）；(C) 用氧气使气道充气后，气道的凹形区域（黑色虚线圆圈）挤压相邻的血管并导致红细胞清除（比例尺，500 μm）；(D) 气道膨胀的计算模型表明凹面区域的位移增加（黄色虚线圆圈）；(E) RBC 的氧饱和度随着 RBC 流速的降低而增加（N = 3，数据为平均值 ± SD，* P < 9 × 10−4 通过 Student t 检验），虚线表示在入口处灌注的脱氧 RBC 的 SO2 ；(F) 通过气道的生成性生长、相对的入口和出口血管网络的偏移生长以及具有远端肺亚基的分支尖端的种群来制定肺模拟设计；(G) 远端肺亚基由通过 3D 偏移和各向异性 Voronoi 镶嵌在脉管系统中包裹的凹凸气道组成；(H) 在 RBC 灌注期间含有远端肺亚基的打印水凝胶的照片，同时气囊用 O2 通风（比例尺，1 毫米）(I) 由 (H) 中的虚线框包围的区域的阈值视图显示了通气过程中的双向 RBC 流动；(J) 远端肺亚基可以稳定承受超过 10,000 个循环 (24 kPa, 0.5 Hz) 的通气，并显示 RBC 对通气气体（N2 或 O2）的敏感性。
图4.功能性肝水凝胶载体的植入；(A到C) 白蛋白启动子活性在含有肝聚集体的水凝胶载体中在植入裸鼠后增强，每个条件的所有时间点的数据显示在 (B) 中 [N = 4，*P < 0.05];(D) 切除后水凝胶的大体图像（比例尺，5 毫米）; (E) (左) 预血管化肝水凝胶载体是通过在打印后在血管网络中接种内皮细胞 (HUVEC) 来创建的,（右）共聚焦显微镜观察表明，水凝胶锚定物理截留含有肝细胞聚集体 (Hep) 的纤维蛋白凝胶（比例尺，1 毫米）; (F) 血管化肝水凝胶载体中的肝细胞在植入慢性肝损伤小鼠后表现出白蛋白启动子活性, 用 H&E 染色的移植切片显示肝脏聚集体（黑色箭头）相对于载体系统（比例尺，50 μm）的印刷（病例、锚）和非印刷（纤维蛋白）组分的定位; (G) 水凝胶载体被宿主血液浸润（总的，H&E）。载体包含表达标记细胞角蛋白-18 (Ck-18) 的聚集体，并且与 Ter-119 阳性 RBC 非常接近（比例尺，40 μm）。
本文确定了广泛用于食品工业的合成和天然食用染料可用作有效的生物相容性光吸收剂，它可以实现包含复杂和功能性血管结构的水凝胶的立体光刻生产。本文在食品添加剂中选择了光吸收剂，其吸收光谱包含可用于生物相容性光聚合的可见光波长，并使用含有柠檬黄、姜黄素或花青素的水凝胶预溶液均制备了具有一定结构的水凝胶。除了这些有机分子，无机金纳米粒子 (50 nm) 因其生物相容性和光衰减特性而被广泛认为，也可作为一种有效的光吸收添加剂来生成可灌注水凝胶。本文使用食用染料作为光吸收剂，用于生产含有功能性血管拓扑结构的水凝胶，用于研究流体混合器、阀门、血管间运输、营养输送和宿主移植，通过立体光刻工艺，有可能对组织结构和生物材料进行同步和正交控制，以设计再生组织。
Doi:10.1126/science.aav9750.
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