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美科学家“造”出人类血管网络,3D打印可植入器官迎来大突破
2019.8.14 三易三维技术部  


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2019 年 5 月 3 日凌晨,最新一期 Science 杂志以封面形式刊登了美国多所高校科学家团队完成的一项重磅成果,该团队创建了一种新的开源生物打印技术,可以在几分钟内生产出具有复杂内部结构的柔软、水基、生物相容性凝胶。通过这项突破性的生物组织打印技术,研究人员可以创造出模仿人体血液、空气、淋巴液和其他重要液体复杂天然脉管系统的水凝胶器官替代物。在研究人员展示的模拟肺泡囊水凝胶模型中,精美绝伦的血管网络不仅震撼视觉,而且证明了其中气道可以将氧气输送到周围的血管,攻克了 3D 打印含有复杂脉管系统功能性器官替代物的主要障碍。此外,研究人员还成功将含有肝细胞的生物打印构建物植入小鼠体内。

与 3D 打印各种奇形怪状的物品不同,3D 打印活体器官(哪怕厚度超过几毫米的组织)如果没有脉管系统作为提供营养和排除废物的通道,就会造成组织结构内部的活细胞很快死亡。因此,对于生物工程师来说,探索 3D 打印包含大量活细胞原型组织的方法,面临着巨大的挑战。我们的器官实际上包含着独立的脉管网络,如肺部的气管和血管,或肝脏中的胆管和血管,这些复杂的脉管网络在物理和生化层面纠缠在一起,结构本身与组织功能密切相关。而这项研究所做的,是第一个直接和全面解决复杂脉管系统挑战的生物打印技术。

“肝脏特别有趣,因为它具有令人难以置信的 500 多种功能,可能仅次于大脑。”华盛顿大学(University of Washington)生物工程和病理学系助理教授 KellyStevens 说,”肝脏的复杂性意味着目前没有任何机器或疗法可以在肝脏生病时取代其所有功能。而生物打印的人体器官有朝一日可能会提供这种疗法。”

为了应对这一挑战,研究团队创建了一种新的开源生物打印技术,称为”组织工程立体光刻仪(SLATE)”。该系统使用激光增材制造技术,一次打印一层软水凝胶。每一层由液体预水凝胶溶液打印,当暴露于蓝光时变成固体。数字光处理投影仪从下方发出光线,以像素大小从 10-50 微米不等的高分辨率显示结构的连续二维切片。随着每一层依次凝固,顶臂将不断增长的 3D 凝胶举起,刚好让液体暴露在投影仪的下一幅图像中。

这其中的关键是添加能够吸收蓝光的广泛用于食品工业的生物相容性光吸收剂,这些光吸收剂将凝固限制在非常精细的一层中。通过这种方式,该系统可以在几分钟内生产出具有复杂内部结构的柔软、水性、生物相容性凝胶。对肺部模拟结构的测试显示,这些组织足够坚固,可以避免在血液流动和脉动”呼吸”过程中破裂。脉动”呼吸”是一种有节奏的吸气和呼气,模拟了人类呼吸的压力和频率。测试发现,当红细胞流经”呼吸”气囊周围的血管网络时,它们可以吸收氧气。这种氧气的运动类似于肺泡囊中的气体交换。为了验证打印组织的生物兼容性,研究团队将装载了肝细胞的 3D 打印组织植入患有慢性肝损伤的小鼠体内,组织具有用于血管和肝细胞的独立隔室。实验结果显示,肝细胞能够在植入后存活。

Kelly Stevens 表示,复杂的脉管系统十分重要,因为结构和功能往往相辅相成。”组织工程学在这方面已经挣扎了一代人的时间。通过这项工作,我们现在可以更进一步,如果我们能够打印看起来更像是我们体内结构复杂的健康组织,那么它们在功能上的表现会更像那些组织吗?这是一个重要的问题,因为生物打印组织功能的好坏,将影响它作为一种疗法的成功程度。”Miller 表示,新的生物打印系统也可以产生血管内特征,如只允许血液向一个方向流动的二尖瓣。在人体中,血管内瓣膜存在于心脏、腿静脉和淋巴系统中。”通过增加多种脉管和脉管内结构,我们为工程活组织引入了一套广泛的设计自由。”Miller 说,”我们现在可以自由地建造身体中发现的许多错综复杂的结构。”

“开放水凝胶的设计文件,将允许其他人继续探索我们的努力内容,甚至他们会使用一些今天不存在的未来 3D 打印技术。”Miller 说。

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