攻堅克難!Science封面:科學家發明的3D打印器官會“呼吸”
2019/05/06
繼3D打印心臟后,科學家在3D打印替代器官方面取得了又一歷史性的突破。


萊斯大學的生物工程師(左起)Bagrat Grigoryan,Jordan Miller和Daniel Sazer (攝影:Jeff Fitlow /萊斯大學)

近日,由美國萊斯大學的生物工程師Jordan Miller和華盛頓大學的Kelly Stevens領導的研究小組通過突破性的生物3D打印組織技術,攻克該技術的一個主要障礙。這項新的創新技術使科學家能夠創造出精美纏繞的血管網絡,模仿人體對血液,空氣,淋巴液和其他重要液體的自然通道。該研究發表在《Science》雜志封面上。


3D打印的瓶頸

在美國有超過10萬人等待著器官捐獻移植,移植功能性器官是一些患者生存下去的唯一希望??杉幢闶怯行移ヅ涞狡鞴?,接受捐贈器官的人依舊面臨著終身服用免疫抑制劑藥物以防止出現器官排異反應的窘境。理論上,生物打印可以從患者自己的細胞中打印代替器官以避免出現排異反應。

但是理想很豐滿,現實很骨感。賴斯布朗工程學院生物工程助理教授Miller說:“生產功能性組織替代品的最大障礙之一就是我們無法打印出復雜的血管系統,而這些血管系統可以為密集的組織提供營養。此外,我們的器官實際上包含獨立的血管網絡,比如肺部的呼吸道和血管,或者肝臟的膽管和血管。這些相互滲透的網絡在物理和生物化學上相互糾纏,結構本身與組織功能密切相關?!?/p>

華盛頓大學醫學院生物工程學助理教授Kelly Stevens表示,多血管化是很重要的,因為形式和功能往往是密切相關的。

如果能打印出看起來甚至呼吸起來更像我們身體健康組織的組織,那么它們的功能是否也會更像那些組織?

這是一個重要的問題,因為生物沖洗組織功能的好壞將會影響它作為一種治療方法的成功程度。

讓打印的器官“活”起來

為了解決這一難題,該團隊發明了一種新的開源生物打印技術,名為“組織工程立體光刻儀”,簡稱SLATE。研究人員使用一種液體的水凝膠溶液按藍圖進行打印,一次生產一層軟水凝膠,并通過特殊的藍光將其逐層固化。


Miller和其研究生在3D打印器官的過程中添加了吸收藍光的食用染料。這些光吸收劑將凝固限制在非常精細的層中。通過這種方式,該系統可以在幾分鐘內生產出具有復雜內部結構的柔軟生物相容性凝膠(分辨率達10-50微米)。


在之后的測試中,研究人員發現,打印出的組織足夠堅固,可以避免在血液流動和脈動“呼吸”過程中破裂。脈動“呼吸”是一種有節奏的吸氣和呼氣,模擬了人類呼吸的壓力和頻率。測試發現,當紅細胞流經“呼吸”氣囊周圍的血管網絡時,它們可以吸收氧氣。這種氧的運動類似于肺泡氣囊中的氣體交換。

此外,該研究將含有肝細胞的生物打印構建體植入小鼠體內。研究發現,3D打印的肝細胞在植入患有慢性肝損傷的小鼠后依舊存活。Stevens表示:“肝臟特別有趣,因為它具有令人難以置信的500種功能,可能僅次于大腦。肝臟的復雜性意味著目前沒有任何機器或療法可以取代其所有功能。生物打印的人體器官有朝一日可能會提供這種可能性?!?/p>

Miller表示,他的實驗室已經在使用新的設計和生物打印技術來探索更復雜的結構。他說, “我們對人體結構的探索才剛剛開始,還有很多東西需要學習。我們預計,生物打印技術將在未來20年內成為醫學的一個重要組成部分?!?/p>

參考資料:

[1] Organ bioprinting gets a breath of fresh air

[2] Multivascular networks and functional intravascular topologies within biocompatible hydrogels


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