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3D打印會“呼吸”的肺,3D打印器官難以逾越的天塹被攻克!

2019.05.10

近日,《科學》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(Rice University)與華盛頓大學(University of Washington)主導的一項研究克服了“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。



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的血管,”本研究的通訊作者之一Jordan Miller教授說道:“此外,人體內的器官還有獨立的管道系統,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絡在生理和生化上相互聯系,其結構與其組織功能息息相關。”如何在3D打印器官的過程中兼顧多種不同的管道系統,便成為了科學家們的研究重點。


▲整個打印的“肺部”還沒有一枚硬幣大


為了解決這一問題,這支團隊使用了一種全新的3D打印技術。首先,按照電腦設計,他們會將一個三維的復雜結構分解為多層二維打印的藍圖;其次,他們使用一種液體的水凝膠溶液按藍圖進行打印,并通過特殊的藍光將其逐層固化。這樣一層一層堆積起來,就有了一個三維的凝膠結構。研究人員們稱,這些打印出的結構性質柔軟,生物可兼容,且內部有著精細的結構(分辨率達10-50微米)。更關鍵的是,在短短幾分鐘內,我們就可以完成打印。


具有功能性血管內拓撲結構的整體水凝膠(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打印系統的可行性。他們發現,這一打印的“血管結構”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現,當紅細胞從這一系統打印出的“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。



具有功能性血管內拓撲結構的整體水凝膠(Monolithic hydrogels)


在打印的肝臟組織中,研究人員們植入了原代肝細胞,并將它們放入了帶有慢性肝損傷的小鼠體內。研究表明,這些肝細胞也能在體內生存,表明打造的血管能有效為這些細胞輸送養分。





▲未來,更復雜的結構有望得到應用


“由于現有的瓶頸,組織工程在我們這一代人里進展甚微,”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。”


《科學》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家們使用這一技術,研究人員們決定將這一研究“開源”。他們期待,在這一技術的幫助下,人們能對3D打印器官產生更多理解,最終促進“人造器官”的加速上市,造福廣大需要器官移植的患者


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