3D打印會“呼吸”的肺，3D打印器官難以逾越的天塹被攻克！
魔猴君 行業(yè)資訊 2219天前
近日，《科學(xué)》雜志刊登了一篇具有里程碑意義的重磅論文。由美國萊斯大學(xué)（Rice University）與華盛頓大學(xué)（University of Washington）主導(dǎo)的一項研究克服了“3D打印器官”的一大障礙，有望為器官移植格局帶來革命性的變化。憑借其重要性，該研究也榮登本期《科學(xué)》雜志封面。
圖中展示的是一個由水凝膠3D打印而成，模擬肺功能的氣囊。它能夠像肺部一樣，朝周圍的血管輸送氧氣。這一看似簡單的功能，卻曾是“3D打印器官”難以逾越的天塹。
“在制造具有功能的組織替代品時，我們面臨的一大攔路虎就是無法打印那些為組織輸送營養(yǎng)的血管，”本研究的通訊作者之一Jordan Miller教授說道：“此外，人體內(nèi)的器官還有獨立的管道系統(tǒng)，比如肺部同時擁有氣道和血管，肝臟則同時擁有膽管和血管。這些互相交織的管道網(wǎng)絡(luò)在生理和生化上相互聯(lián)系，其結(jié)構(gòu)與其組織功能息息相關(guān)?！比绾卧?/span>3D打印器官的過程中兼顧多種不同的管道系統(tǒng)，便成為了科學(xué)家們的研究重點。
▲整個打印的“肺部”還沒有一枚硬幣大
為了解決這一問題，這支團(tuán)隊使用了一種全新的3D打印技術(shù)。首先，按照電腦設(shè)計，他們會將一個三維的復(fù)雜結(jié)構(gòu)分解為多層二維打印的藍(lán)圖；其次，他們使用一種液體的水凝膠溶液按藍(lán)圖進(jìn)行打印，并通過特殊的藍(lán)光將其逐層固化。這樣一層一層堆積起來，就有了一個三維的凝膠結(jié)構(gòu)。研究人員們稱，這些打印出的結(jié)構(gòu)性質(zhì)柔軟，生物可兼容，且內(nèi)部有著精細(xì)的結(jié)構(gòu)（分辨率達(dá)10-50微米）。更關(guān)鍵的是，在短短幾分鐘內(nèi)，我們就可以完成打印。
具有功能性血管內(nèi)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的整體水凝膠（Monolithic hydrogels）
順便說一個有趣的插曲。為了讓凝膠能夠有效吸收藍(lán)光，方便固化，研究人員們嘗試了多種方法。最終，他們的選擇是一種食用色素……這來自于一名研究生的腦洞。
▲從設(shè)計到打印的全過程
在多種模型里，研究人員們驗證了這一3D打印系統(tǒng)的可行性。他們發(fā)現(xiàn)，這一打印的“血管結(jié)構(gòu)”本身具有足夠的硬度，不會因為血液流動而破裂。此外，它也能承受對吸氣和呼氣的模擬。在測試中，研究人員們欣喜地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)紅細(xì)胞從這一系統(tǒng)打印出的“血管”中流過時，能夠有效從呼吸的“肺部”中獲取氧氣，這與肺泡附近的氧氣交換如出一轍。
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具有功能性血管內(nèi)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的整體水凝膠（Monolithic hydrogels）
在打印的肝臟組織中，研究人員們植入了原代肝細(xì)胞，并將它們放入了帶有慢性肝損傷的小鼠體內(nèi)。研究表明，這些肝細(xì)胞也能在體內(nèi)生存，表明打造的血管能有效為這些細(xì)胞輸送養(yǎng)分。
▲未來，更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)有望得到應(yīng)用
“由于現(xiàn)有的瓶頸，組織工程在我們這一代人里進(jìn)展甚微，”本研究的另一名通訊作者Kelly Stevens教授說道：“這項工作能讓我們更好地了解，如果打印的組織能像健康組織一樣‘呼吸’，它們在功能上是否也會更接近健康組織。這是一個重要的問題。生物打印的組織能多有效，直接影響了它能否成功成為一種療法?！?/span>
《科學(xué)》雜志的專文介紹中，直接將打印出的迷你器官稱為“小型奇跡”。為了便于全球各地的科學(xué)家們使用這一技術(shù)，研究人員們決定將這一研究“開源”。他們期待，在這一技術(shù)的幫助下，人們能對3D打印器官產(chǎn)生更多理解，最終促進(jìn)“人造器官”的加速上市，造福廣大需要器官移植的患者。
源自：學(xué)術(shù)經(jīng)緯、Science 全文下載https://science.sciencemag.org/content/sci/364/6439/458.full.pdf
