在體外構建組織模型或器官的過程中加入血管系統對于輸送營養物質、氧氣和移除代謝廢物，從而提高體外構建組織的存活率及組織厚度是非常必要的。近年來，基于對血管組織結構及組織微環境的深入了解，利用水凝膠材料構建高度復雜仿生的血管化組織和器官取得了巨大的進展。在這篇綜述中，作者強調了利用水凝膠材料體外構建血管化組織的獨特優勢。首先，作者簡要介紹了血管的組織結構、微環境及血管形成、血管出芽的機制。然后，重點介紹了水凝膠作為仿生細胞外基質（ECM）在構建血管化組織或器官中的重要性和優勢，包括可調節的物理特性、生理環境的高度相似性以及可控的凝膠化過程。此外，作者討論了基于水凝膠的血管化組織在組織再生、藥物篩選及器官芯片中的應用研究。最后，作者提出了水凝膠材料利用及血管化組織構建過程當中需要解決的關鍵問題，包括水凝膠的多功能性、合適的細胞表型的選擇、復雜的工程技術以及如何將復雜的血管化微組織推向臨床轉化，以促進其未來發展。

01、研究內容簡介

組織工程旨在體外或體內進行組織或器官構建，為克服因疾病、創傷和人口老齡化引起的器官短缺帶來的挑戰提供了有效的方法。可將利用工程組織方法得到的體外組織模型或器官用于臨床移植、疾病模型的構建及藥物篩選。然而，目前的研究表明，由于體外構建組織/器官過程中無法系統地復制體內器官組成和細胞微環境，因此制造多功能的復雜組織或器官仍極具挑戰性。

組織和器官的存活及形成依賴于有效的血管網路實現營養物質的運輸、代謝產物的移除以及氧氣的輸送。在體外構建組織/器官過程中，如何將復雜的血管網絡加入到體外組織/器官模型中，已成為限制使用各種微加工方法制造仿生組織或器官的主要障礙。此外，體外構建的組織中有限的血管網絡往往導致物質運輸范圍的局限性（距離供應脈管系統在100-200 μm范圍內），導致體外培養的細胞不能在短時間產生足夠多的ECM、細胞存活困難體外構建的組織厚度難以增加等問題。因此，血管化問題是組織工程技術發展所必須解決的一個挑戰性問題。

除了有效的血管網絡之外，完全模擬組織/器官的生理微環境仍極具挑戰性。由于體內組織中真實的微環境過于復雜，體內組織/器官多種細胞類型的精確空間分布、ECM的動態調控過程、以及ECM中細胞的復雜相互作用機制，需要進行更深入的研究。簡單來說，ECM是一種由多糖和蛋白質組成的網狀結構，可根據類器官形成和組織再生過程階段的生理需求，進行細胞行為和器官功能的調控。綜上，有效的血管網絡和復雜的ECM是血管化組織工程策略必不可少的關鍵因素。

在基于天然材料和合成材料的多種生物材料中，水凝膠材料由于具有高滲透性、高含水量及優異的生物相容性，被認為是包埋細胞、負載細胞因子及傳遞藥物的有效載體。除此之外，由于水凝膠材料的機械強度適宜且高度可控，更適用于人體大多數軟組織的體外構建。因此，水凝膠材料的發展為體外構建血管類似物及血管化微組織提供了可能。1960年，Wichterle和Lim將聚（甲基丙烯酸-2-羥乙酯）基材料交聯后用作軟性隱形眼鏡，首次報道了水凝膠在人體組織中的應用。隨后，在1980年，水凝膠首次被用于包埋細胞。

具體而言，水凝膠由親水性聚合物鏈組成，這使得多種細胞、藥物、細胞因子能夠在水凝膠中均勻包埋，以實現組織的復雜性模擬。此外，水凝膠網絡中的分子可以通過相互連接的孔隙擴散，這滿足了血管系統將分子從血管輸送到組織的需求。如今，水凝膠已經被廣泛的研究并應用于臨床治療當中。迄今為止，許多研究人員已經報道了使用各種新興的生物制造技術，基于水凝膠建立了尺寸從微米到毫米的中空血管結構。此外，血管生成相關因子可以直接加入到水凝膠網絡中，以調節生物信號的傳遞并加速構建組織模型中的血管形成。最重要的是，這些基于水凝膠的可灌注組織模型在體外探索器官的病理形成和生理活動機制方面顯示出巨大的潛力。

在這篇綜述中，作者首先介紹了兩種主要的血管形成機制，包括血管形成和血管出芽。此外，重點介紹了水凝膠作為仿生ECM在構建血管化組織或器官中的重要性和優勢，包括可調節的物理特性、生理環境的高度相似性以及可控的凝膠化過程。最后，討論了基于水凝膠的血管化組織在組織再生、藥物篩選及器官芯片中的應用研究。同時，作者提出了水凝膠材料利用及血管化組織構建過程當中需要解決的關鍵問題，包括水凝膠的多功能性、合適的細胞表型的選擇、復雜的工程技術以及如何將復雜的血管化微組織推向臨床轉化，以促進其未來發展（圖1）。

Fig. 1. Schematic illustration of the vascularized tissues in hydrogels for tissue regeneration, organ-on-chips, and drug screening. Angiogenesis and vasculogenesis mechanisms of vascular formation are introduced both in the embryo stage and postnatal life, respectively. The enrichment of the effective vascular networks enables the delivery of nutrients and waste products for the recovery of organs upon severe damage. In addition, the emerging organ-on-chips approach provides excellent opportunities for incorporating vasculatures within chips for the stimulation of physiological 3D organoids. These target 3D organoids bridge the gap between clinical trials and in vitro drug screening.

血管系統是全身循環系統的重要組成部分，分布在整個人體中，其分支血管的直徑從幾微米到幾毫米不等（圖2）。人體血管由動脈，靜脈和毛細血管組成。動脈的主要功能是從心臟開始，血液流向身體器官、組織和肺組織；靜脈的作用是將血液從身體組織或肺部帶回心臟；毛細血管的作用是連接動脈和靜脈，在毛細血管的組織和血管之間交換氧氣、二氧化碳和營養物質。不同位置及功能的血管在物理特性（包括厚度、幾何形狀、壁成分和機械強度）和生理環境（包括GF、ECM成分和特定細胞類型）方面的異質性，為利用生物制造技術體外構建血管及血管化微組織提供了設計標準。

Fig. 2. (A) Schematic representation of functional vascular distribution in the human body. The vascular networks are organized into arteries (in red) and veins (in blue). The vasculatures comprise blood-carrying lumens. (B) The biochemical cues, including relevant cells and specific GFs, are expected to be integrated within the designed vascularized tissue constructs. (C) Vascularization mechanisms during (i) angiogenesis and (ii) vasculogenesis. Angiogenesis mainly relies on the sprouting of ECs to the fabricated constructs. Vasculogenesis primarily focuses on the differentiation and assembly of angioblasts and endothelial precursor cells (EPCs) into mature migrating ECs towards the repair region and subsequently forming the primitive vascular networks. (For interpretation of the references to color in this figure legend, the reader is referred to the Web version of this article.)

各種研究表明，多種細胞因子及生物分子在組織工程支架中的協同作用可以調控血管網絡的形成進程，并有效地提高體外血管化組織的可行性。在此過程中，水凝膠已被廣泛研究作為各種疏水或親水分子的載體，通過可控釋放將這些生物信號分子傳遞到目標部位或受損組織，并調控血管生成及組織再生過程（圖3）。

Fig. 3. The design and application of (A) nanocomposite hydrogels and (B) micro composite hydrogels for angiogenesis and vasculogenesis.

水凝膠親水聚合物鏈交聯的形成水凝膠的方法很多，通常可根據材料的化學性質、預期的功能及所使用的生物制造技術來選擇，一般可以分為物理交聯和化學交聯法。溫和的交聯過程有利于細胞的包埋及藥物的封裝（圖4）。

Fig. 4. (A) Schematic of the 3D bioprinting system: the cooling system under the receiving platform temporarily thermo-cross-linked gelatin in the bioinks; and the UV light permanently photo-crosslinked GelMA in the bioinks. (B) Two step cross-linking of GelMA/gelatin bioinks. (C) Schematic illustrating the setup for generating hollow GelMA/Gel microfibers by microfluidic coaxial biofabrication for cannular tissue engineering. (D, E) Photograph of an Organovo bioprinter. Schematic of the coaxial needle where the bioink is delivered from the core and the ionic crosslinking CaCl2 solution is sheathed on the side.

迄今為止，大量的研究已經證明了水凝膠可以模擬各種器官類型，包括但不限于骨骼、腎臟、肝臟、肺、肌肉和腦。這些精準、可重復的3D類器官的構建為展開組織再生、器官芯片和藥物篩選提供了可能（圖5）。

Fig. 5. (A) (i) Outline of construct design (solid and microchanneled), top and side views demonstrating interconnected microchannel network within the constructs. (B) Schematic drawing representing the printing process of the hollow-strut-packed. (C) Schematic illustration of vascularized bone regeneration and expression of endothelial marker CD31. (D) Schematic showing the fabrication process of the 3D-bioprinted hierarchically porous hydrogel constructs by using an aqueous two-phase bioink.

由于微流體技術的突破，新興的器官芯片方法為構建3D器官模型提供了可能。此外，在微流控芯片中嵌入水凝膠在構建多樣化的仿生組織模型方面已取得巨大進展，包括模擬組織結構異質性、細胞空間分布、組織尺寸和ECM組成。另外，通過使用水凝膠芯片制造血管網絡、實現組織-組織界面的模擬及構建3D類器官已經取得了顯著性突破（圖6）。

Fig. 6. (A) Schematic showing fabrication of the endothelial vessels with the muscle bundle. Reprinted with permission from Ref. [188]. Copyright 201, Elsevier Ltd. (B) (i) Schematic of the bioprinted blood and lymphatic vessel pair containing the pair of bioprinted blood/lymphatic vessel. The red-colored perfusable hollow tube was bioprinted to provide blood fluid flow, the yellow-colored one end–blinded hollow tube was bioprinted to enable lymphatic drain flow, and the chamber was seeded with tumor cells embedded in an extracellular matrix (ECM)-like a hydrogel. (ii) Dose-response curves of 2D- and 3D-cultured MCF-7 cells to DOX. Reprinted with permission from Ref. [51]. Copyright 2019, Wiley. (For interpretation of the references to color in this figure legend, the reader is referred to the Web version of this article.)