血管是把氧气和营养物质输送到组织中并从中携带二氧化碳和其他代谢废物的通道，主要包括三种类型：动脉、毛细血管和静脉，它们在结构组成、尺寸和生理功能上都不同。根据血管内径（inner diameter, ID），可将其分为微血管（ID < 1 mm）、小血管（ID = 1~6 mm）和大血管（ID > 6 mm）。

主动脉是人体内最大的血管，它将含氧血液从心脏输送到身体的不同部位。主动脉分支成动脉，动脉进一步分支成更小的血管，称为小动脉。小动脉最终分支成细小的毛细血管，它们是最小的血管。毛细血管可允许氧气、营养素、二氧化碳和其他代谢废物在血液和局部组织之间扩散。毛细血管在小动脉和小静脉之间形成一个网络，其中小静脉是非常小的静脉，负责从毛细血管中收集脱氧血液，并将其输送到逐渐增大的静脉中，最后回流进入心脏。

尽管动脉和静脉具有不同的功能，但它们的血管壁都是由不同细胞和细胞外基质（extracellular matrix, ECM）组成。这些细胞和ECM主要分为三个层：内层内膜、中层中膜和外层外膜[图1（a）]。毛细血管（ID < 10 µm）由单层内皮细胞（endothelial cells, EC）组成，形成血管的内层（内膜），并被基膜和周细胞包围 [图1（b）]。小动脉和小静脉（ID = 10~100 µm）由内皮细胞内层（内膜）和周围的平滑肌细胞（smooth muscle cells, SMC）层（中膜）组成[图1（b）]。动脉和静脉（ID > 100 µm）由内皮细胞内层（内膜）、中间的平滑肌细胞层（中膜）及成纤维细胞和ECM成分外层（外膜）组成[图1（b）]。血管的不同层及其细胞组成、直径、ECM成分和功能见表1。

内皮细胞和血管平滑肌细胞是组成动脉和静脉的关键细胞类型。这些细胞类型的相互作用不仅在血管系统的发育中起着关键作用，而且在维持血管内稳态方面也起着关键作用。血管的内皮细胞内层在表型和功能上具有显著的异质性，这是由于它们在血流过程中经历了不同的微环境以及不同水平的压力和剪切应力。内膜中的内皮细胞内层起到了严密调节动态屏障的作用，可防止血液泄漏到周围组织和间质中。它们也在一些生理过程中发挥关键作用，包括调节血流和通透性、炎症部位循环免疫细胞的跨内皮迁移、维持血管张力和止血作用。血管中内皮细胞沿纵向排列，平滑肌细胞沿圆周方向排列，并由弹性纤维隔开。平滑肌细胞具有收缩表型，通过主动收缩和舒张维持血管内稳态。此外，平滑肌细胞还具有分泌表型，负责ECM的合成和修复，从而调节血管壁的结构。

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冠心病和外周动脉疾病导致全球死亡率和发病率逐年增加，预计到2030年，年死亡率将增至2330万。目前常用的血管重建方法包括：血管成形术、支架植入术和外科旁路移植术。对于旁路移植来说，治疗冠状动脉和周围血管疾病等的金标准仍然是使用自体动脉或静脉（主要是胸内动脉或隐静脉）。然而，健康的自体血管并不容易获取，需要进行侵入性采集，并且长期通畅率也很低。采用合成血管移植物替代自体血管，可成功替换中型和大型血管。合成血管主要由聚对苯二甲酸乙二酯或聚四氟乙烯制成。尽管这些合成移植物已被证明对中型和大型血管具有有效的长期通畅性，但由于仍存在生物力学特性不匹配、生物相容性差、血栓形成、微生物污染和通畅率差等特点而受到限制。考虑目前血管类导管的局限性，以及包括冠状动脉和外周动脉在内的小口径血管的病理事件，医疗领域一直存在对具有降低小口径血管疾病发病率潜力的生物工程血管的临床需求。

随着血管生物工程的发展，三维（3D）生物打印技术已成为有潜力的血管生成方法，生成的血管具有在体内生长、重塑、修复血管疾病的能力。在过去的几年里，不同的3D生物打印技术和策略被报道用以制造仿生血管，并不断得到完善和改进。本文综述了应用于血管工程的各种生物打印技术，包括挤出生物打印、喷墨生物打印、激光辅助生物打印、光固化生物打印等，以及它们的优点和局限性。我们还讨论了不同的生物材料及其生物相容性、可打印性、力学性能等，以及在制备合适的生物墨水以满足小口径血管3D生物打印的关键要求方面所面临的挑战。最后，我们探讨了未来可能的发展方向。

为了实现生物工程血管系统的功能，其结构和完整性必须与天然血管相似（两者都高度依赖于周围ECM的力学性能和化学信号）。ECM是各种细胞因子及生长因子的贮存器和调节剂，其在血管形成过程中为内皮细胞的组织和稳定提供结构支持。因此，ECM特性，如密度、异质性和硬度在调节血管形态发生、毛细血管网络形成和屏障完整性方面发挥着关键作用。

组成不同血管层的主要ECM成分如表1所示。内皮细胞排列在血管腔内层，血管腔位于基底膜上，基底膜主要由胶原、层黏连蛋白、纤维连接蛋白、巢蛋白、硫酸肝素蛋白多糖和其他大分子组成。中膜是平滑肌细胞的中间层，由含有纤维胶原I、III、V的胶原质 ECM，层黏连蛋白，弹性蛋白，纤维连接蛋白，透明质酸和核心蛋白聚糖组成。内膜和中膜被内弹性膜分开。外膜层是结缔组织和成纤维细胞的最外层，包括弹性蛋白、I型和IV型胶原以及蛋白聚糖。

国际医疗器械设计与制造技术展览会Medtec China 2023同期：创新技术论坛和法规峰会2022技术论坛E：3D打印材料及技术在医疗器械领域中的应用，议题覆盖超高精密3D打印在医疗行业发展现状与发展趋势、3D打印医疗器械的技术创新和应用案例、高精度3D打印技术加速医疗器械企业的创新和研发、结构心血管病转化医学与其3DP技术的当代应用等多项议题，来自中国医学科学院阜外医院、上海交通大学、通快(中国)有限公司等大咖限时开讲。

因此要想成功地在体外制造血管，特别是直径较小的血管，需要更高分辨率的生物打印方法与适当的生物墨水配方之间的协同作用。生物墨水可以提供结构和机械支持，以维持细胞活力，同时促进移植或血管新生。生物墨水是由生物材料、细胞、营养素、生长因子组成，应该模拟组织的最佳ECM环境。生物墨水的设计应考虑主要的ECM组成，这对于血管的3D生物打印至关重要，因为它不仅决定了生物打印的分辨率，还决定了血管的完整性和其他关键的生物特性。

用于血管3D生物打印的生物墨水最常用的配方是基于水凝胶前体的配方，原因是这些配方具有优异的生物相容性、可调节的硬度和孔隙率、模拟天然ECM的能力以及与不同生物打印模式相兼容的特性。已有研究对几种天然和合成生物材料进行了单独或组合使用，设计出类似于ECM理化性质的生物墨水。广泛用于体外血管组织工程的天然生物材料，包括明胶、胶原、弹性蛋白、纤维蛋白、透明质酸、琼脂糖、海藻酸和基质胶等。基于天然生物材料的水凝胶为细胞黏附、生长和增殖提供了适宜的微环境；最重要的是，它通常不会对宿主造成慢性炎症或毒性。然而，天然水凝胶的弱机械强度无法承受生理压力，因而限制了其在血管组织工程中的应用。因此，已有研究将各种合成聚合物与天然生物材料相结合，原因是合成聚合物具有精确控制的力学性能、孔隙率、再现性、结构多样性、刚度和生物降解性。常用的合成聚合物包括聚乙二醇（PEG）、聚甲基丙烯酸羟乙基酯和聚乙烯醇（PVA）。这些复合材料可以提供良好的机械支撑，提高打印结构的机械强度。然而，由于缺乏生物相容性、细胞黏附性差、释放有毒副产物以及降解过程导致力学性能下降，合成聚合物的应用受到限制。

为了克服这些限制并获得具有理想性能的生物墨水，人们采用了基于化学、机械、物理和生物改性的不同方法来探索功能化。最常用的功能化方法之一是将甲基丙烯酰基引入聚合物，如明胶、胶原和透明质酸。这种方法产生的光聚合物可以按要求形成力学性能稳定的结构。这些聚合物的机械强度很大程度上取决于甲基丙烯酰改性程度和光照暴露程度。甲基丙烯酰改性程度越高，光照时间越长，结构的强度就越高，降解率就越低。应用两种或两种以上交联机制有助于显著提高结构完整性和机械强度。例如，当使用维生素B2（核黄素）共价交联脱细胞ECM （decellularized ECM, dECM）生物墨水，然后通过胶原纤维形成热触发物理交联时，能获得更好的力学性能。与单独交联的结构物相比，这种两步交联机制表现出更高的储能模量，表明每种交联机制都有助于提高结构物的整体力学性能。另一方面，混合生物墨水材料也可以达到同样的效果。例如，在明胶甲基丙烯酸（gelatin methacryloyl, GelMA）中添加明胶提高了交联度，从而改善了力学性能。此外，当其他聚合物，如甲基纤维素、四臂聚乙二醇丙烯酸酯（4-arm PEG-tetra-acrylate, PEGTA）、具有三季戊四醇核的八臂聚乙二醇丙烯酸酯（8-arm PEG-acrylate with a tripentaerythritol core, PEGOA）、透明质酸、PVA和羟基磷灰石加入时，它们可以增强剪切变稀行为和（或）提高生物打印后的形状保真度。

此外，将各种生物活性物质，如纤维蛋白（或纤维蛋白原和凝血酶）和聚赖氨酸添加到生物墨水中，可以诱导或增强其生物活性。纤维蛋白是一种纤维蛋白原的聚合物，在凝血酶存在下形成纤维状、黏弹性和多孔水凝胶。纤维蛋白已被证明可以提高生物墨水的生物黏附性和生物活性。带正电荷的聚赖氨酸也被用于通过增加与带负电荷的细胞膜的静电相互作用来增强细胞黏附性。

同样，非黏附性水凝胶的生化性能也可通过黏附肽配体的修饰得到改善。精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（arginine-glycine-aspartic acid, RGD）肽是最常用的肽配体，在细胞黏附、扩散和迁移中起着关键作用。例如，与未经RGD修饰的水凝胶相比，与RGD肽共轭的聚乙二醇二丙烯酸酯（PEG-diacrylate, PEGDA）水凝胶增强了细胞的黏附性。进一步说明，植入的PEGDA水凝胶中含有的RGD肽可调节体内细胞黏附性、炎症反应、纤维包封和血管形成。RGD肽也被引入其他各种水凝胶形成聚合物中，如透明质酸、海藻酸、壳聚糖和PEG水凝胶，用来改善细胞行为。

多种生长因子，如成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factor, FGF）、血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor, VEGF）以及转化生长因子-α（transforming growth factor-α, TGF-α）和TGF-β已被确定是血管生成的诱导因子。例如，FGF-2和VEGF用于刺激内皮细胞的增殖、运动和分化，是血管形成的关键介质。在体内和体外研究中，VEGF被物理地包封在 PEG水凝胶中，以释放响应细胞分泌的蛋白酶，从而增强血管形成。此外，在ECM蛋白质中发现了一些生长因子结合位点，如纤维连接蛋白、纤维蛋白原、细胞黏合素C和玻璃体蛋白。已有研究表明与这些ECM蛋白结合的VEGF可促进糖尿病患者的伤口和骨缺损的愈合。虽然其中一些策略可能尚未与血管生物打印中所使用的生物墨水相结合，但它们在血管生物打印中的应用似乎显而易见。

最近，一些研究表明改变基质黏弹性对细胞行为产生影响，包括通过改变聚合物的共价交联和（或）浓度来降低丙烯酰胺水凝胶的模量，通过改变亲和力不同的共价交联剂来调节PEG水凝胶中的应力松弛，或使用海藻酸水凝胶的共价和（或）物理交联。这些研究表明，在二维（2D）培养中，改良的耗能模量和基质可缓慢增强间充质干细胞（mesenchymal stem cell, MSC）的细胞铺展和成骨分化，增强的基质应力松弛改善了2D培养细胞的扩散和增殖，并使细胞适应相关的3D培养形态。同样，研究表明，细胞在弹性和黏弹性水凝胶中表现不同，生物材料的弛豫行为随着细胞的相互作用而改变，细胞行为改变包括扩散、增殖和分化。MSC分化依赖于3D水凝胶的初始弹性模量，而在弹性水凝胶中，MSC分化对水凝胶的刚度缺乏敏感性，表明细胞应力松弛对ECM中的力学性能具有重要意义。这些见解可能有助于血管生物墨水的设计，以改善细胞行为和血管功能。