Science封面:科学家发明的3D打印器官会“呼吸”

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莱斯大学的生物工程师(左起)Bagrat GrigoryanJordan MillerDaniel Sazer (摄影:Jeff Fitlow /莱斯大学)

近日,由美国莱斯大学的生物工程师Jordan Miller和华盛顿大学的Kelly Stevens领导的研究小组通过突破性的生物3D打印组织技术,攻克该技术的一个主要障碍。这项新的创新技术使科学家能够创造出精美缠绕的血管网络,模仿人体对血液,空气,淋巴液和其他重要液体的自然通道。该研究发表在《Science》杂志封面上。

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3D打印的颈瓶

在美国有超过10万人等待着器官捐献移植,移植功能性器官是一些患者生存下去的唯一希望。可即便是有幸匹配到器官,接受捐赠器官的人依旧面临着终身服用免疫抑制剂药物以防止出现器官排异反应的窘境。理论上,生物打印可以从患者自己的细胞中打印代替器官以避免出现排异反应。

但是理想很丰满,现实很骨感。赖斯布朗工程学院生物工程助理教授Miller说:“生产功能性组织替代品的最大障碍之一就是我们无法打印出复杂的血管系统,而这些血管系统可以为密集的组织提供营养。此外,我们的器官实际上包含独立的血管网络,比如肺部的呼吸道和血管,或者肝脏的胆管和血管。这些相互渗透的网络在物理和生物化学上相互纠缠,结构本身与组织功能密切相关。”

华盛顿大学医学院生物工程学助理教授Kelly Stevens表示,多血管化是很重要的,因为形式和功能往往是密切相关的。

如果能打印出看起来甚至呼吸起来更像我们身体健康组织的组织,那么它们的功能是否也会更像那些组织?

这是一个重要的问题,因为生物冲洗组织功能的好坏将会影响它作为一种治疗方法的成功程度。

让打印的器官“活”起来

为了解决这一难题,该团队发明了一种新的开源生物打印技术,名为“组织工程立体光刻仪”,简称SLATE。研究人员使用一种液体的水凝胶溶液按蓝图进行打印,一次生产一层软水凝胶,并通过特殊的蓝光将其逐层固化。

Miller和其研究生在3D打印器官的过程中添加了吸收蓝光的食用染料。这些光吸收剂将凝固限制在非常精细的层中。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生物相容性凝胶(分辨率达10-50微米)。

在之后的测试中,研究人员发现,打印出的组织足够坚固,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。这种氧的运动类似于肺泡气囊中的气体交换。

此外,该研究将含有肝细胞的生物打印构建体植入小鼠体内。研究发现,3D打印的肝细胞在植入患有慢性肝损伤的小鼠后依旧存活。Stevens表示:“肝脏特别有趣,因为它具有令人难以置信的500种功能,可能仅次于大脑。肝脏的复杂性意味着目前没有任何机器或疗法可以取代其所有功能。生物打印的人体器官有朝一日可能会提供这种可能性。”

Miller表示,他的实验室已经在使用新的设计和生物打印技术来探索更复杂的结构。他说, “我们对人体结构的探索才刚刚开始,还有很多东西需要学习。我们预计,生物打印技术将在未来20年内成为医学的一个重要组成部分。”

 

参考资料:

[1] Organ bioprinting gets a breath of fresh air

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