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              3D打印会“呼吸”的肺,3D打印器官难以逾越的天堑被攻克!

              2019.05.10

              近日,《科学》杂志刊登了一篇具有里程碑意义的重磅论文。由美国莱斯大学(Rice University)与华盛顿大学(University of Washington)主导的一项研究克服了“3D打印器官”的一大障碍,有望为器官移植格局带来革命性的变化。



              图中展示的是一个由水凝胶3D打印而成,模拟肺功能的气囊。它能够像肺部一样,朝周围的血管输送氧气。这一看似简单的功能,却曾是“3D打印器官”难以逾越的天堑。


              “在制造具有功能的组织替代品时,我们面临的一大拦路虎就是无法打印那些为组织输送营养的血管,”本研究的通讯作者之一Jordan Miller教授说道:“此外,人体内的器官还有独立的管道系统,比如肺部同时拥有气道和血管,肝脏则同时拥有胆管和血管。这些互相交织的管道网络在生理和生化上相互联系,其结构与其组织功能息息相关。”如何在3D打印器官的过程中兼顾多种不同的管道系统,便成为了科学家们的研究重点。


              ▲整个打印的“肺部”还没有一枚硬币大


              为了解决这一问题,这支团队使用了一种全新的3D打印技术。首先,按照电脑设计,他们会将一个三维的复杂结构分解为多层二维打印的蓝图;其次,他们使用一种液体的水凝胶溶液按蓝图进行打印,并通过特殊的蓝光将其逐层固化。这样一层一层堆积起来,就有了一个三维的凝胶结构。研究人员们称,这些打印出的结构性质柔软,生物可兼容,且内部有着精细的结构(分辨率达10-50微米)。更关键的是,在短短几分钟内,我们就可以完成打印。


              具有功能性血管内拓扑结构的整体水凝胶(Monolithic hydrogels)


              顺便说一个有趣的插曲。为了让凝胶能够有效吸收蓝光,方便固化,研究人员们尝试了多种方法。最终,他们的选择是一种食用色素……这来自于一名研究生的脑洞。



              ▲从设计到打印的全过程


              在多种模型里,研究人员们验证了这一3D打印系统的可行性。他们发现,这一打印的“血管结构”本身具有足够的硬度,不会因为血液流动而破裂。此外,它也能承受对吸气和呼气的模拟。在测试中,研究人员们欣喜地发现,当红细胞从这一系统打印出的“血管”中流过时,能够有效从呼吸的“肺部”中获取氧气,这与肺泡附近的氧气交换如出一辙。



              具有功能性血管内拓扑结构的整体水凝胶(Monolithic hydrogels)


              在打印的肝脏组织中,研究人员们植入了原代肝细胞,并将它们放入了带有慢性肝损伤的小鼠体内。研究表明,这些肝细胞也能在体内生存,表明打造的血管能有效为这些细胞输送养分。





              ▲未来,更复杂的结构有望得到应用


              “由于现有的瓶颈,组织工程在我们这一代人里进展甚微,”本研究的另一名通讯作者Kelly Stevens教授说道:“这项工作能让我们更好地了解,如果打印的组织能像健康组织一样‘呼吸’,它们在功能上是否也会更接近健康组织。这是一个重要的问题。生物打印的组织能多有效,直接影响了它能否成功成为一种疗法。”


              《科学》杂志的专文介绍中,直接将打印出的迷你器官称为“小型奇迹”。为了便于全球各地的科学家们使用这一技术,研究人员们决定将这一研究“开源”。他们期待,在这一技术的帮助下,人们能对3D打印器官产生更多理解,最终促进“人造器官”的加速上市,造福广大需要器官移植的患者


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