来自莱斯大学生物工程师Jordan Miller实验室的生物打印研究展示了一种视觉上令人惊叹的原理验证 - 一种模仿肺部模型的气囊，其气道和血管从未接触但仍为红细胞提供氧气。图片来源：Jordan Miller / Rice大学

生物工程师通过突破性的生物打印组织技术，彻底解决了3D打印替代器官的主要障碍。

这项新的创新技术使科学家能够创造出精美纠缠的血管网络，模仿人体对血液，空气，淋巴液和其他重要液体的自然通道。

该研究报告刊载于本周的“ 科学”杂志封面。它包括一个视觉上令人惊叹的原理验证 - 肺模拟气囊的水凝胶模型，其中气道将氧气输送到周围的血管。还报道了将含有肝细胞的生物打印构建体植入小鼠的实验。

这项工作由莱斯大学的生物工程师Jordan Miller和华盛顿大学（UW）的Kelly Stevens领导，其中包括来自赖斯，威斯康星大学，杜克大学，罗文大学的15名合作者以及马萨诸塞州萨默维尔的设计公司Nervous System。

“产生功能性组织替代物的最大障碍之一就是我们无法打印能够为人口稠密组织提供营养的复杂脉管系统，”赖斯布朗工程学院生物工程助理教授米勒说。“此外，我们的器官实际上包含独立的血管网络 - 如肺的气道和血管或肝脏中的胆管和血管。这些互穿网络在物理和生物化学上纠缠在一起，并且建筑本身与组织功能密切相关我们是第一个以直接和全面的方式应对多种血运的挑战的生物打印技术。“

华盛顿大学医学院生物工程学助理教授，威斯康星大学医学院病理学助理教授，威斯康星大学干细胞与再生医学研究所的研究员史蒂文斯说，多血管形成很重要，因为形态和功能往往都很重要在手里。

莱斯大学和华盛顿大学的研究人员进行的实验探讨了肝细胞是否能够正常运作，如果它们被纳入生物打印的植入物并通过手术植入小鼠14天。图片来源：Jordan Miller / Rice大学

史蒂文斯说：“组织工程在这一代人中一直在努力。” “通过这项工作，我们现在可以更好地问，'如果我们能够打印看起来更像是我们体内健康组织的组织，那么它们在功能上的表现会更像那些组织吗？' 这是一个重要的问题，因为生物打印组织功能的好坏将影响它作为一种疗法的成功程度。“

生物打印健康，功能性器官的目标是由器官移植的需要驱动的。仅在美国就有超过10万人在移植等待名单上，最终接受捐赠器官的人仍然面临一生的免疫抑制药物，以防止器官排斥。生物打印在过去十年中引起了人们的浓厚兴趣，因为它理论上可以通过允许医生从患者自己的细胞中打印替代器官来解决这两个问题。有朝一日可以使用现成的功能性器官来治疗全世界数百万患者。

“我们预计生物打印将在未来二十年内成为医学的重要组成部分，”米勒说。

“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，”史蒂文斯说。“肝脏的复杂性意味着目前没有任何机器或疗法可以在失败时取代其所有功能。生物打印的人体器官有朝一日可能会提供这种疗法。”

为了应对这一挑战，该团队创建了一种新的开源生物打印技术，称为“用于组织工程的立体光刻设备”或SLATE。该系统使用增材制造一次制造一层软水凝胶。

层由液体预水凝胶溶液印刷，当暴露于蓝光时变成固体。数字光处理投影仪从下方照射光线，以高分辨率显示结构的连续2-D切片，像素尺寸范围为10-50微米。随着每一层依次固化，顶臂将生长的3-D凝胶提升到足以将液体暴露于投影仪的下一个图像。Miller和Bagrat Grigoryan是米兰研究生和该研究的首席合着者，他的主要观点是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，水基，生物相容性凝胶。

莱斯大学的生物工程师（左起）Bagrat Grigoryan，Jordan Miller和Daniel Sazer以及合作者创造了一种突破性的生物打印技术，可以加速3D打印替代器官和组织的技术开发。图片来源：Jeff Fitlow /莱斯大学

肺模拟结构的测试表明，组织足够坚固以避免在血流和脉动“呼吸” 期间爆裂，有节奏的摄入和模拟人类呼吸的压力和频率的空气流出。测试发现红细胞在通过“呼吸”气囊周围的血管网络时会吸收氧气。氧气的这种运动类似于肺部肺泡气囊中的气体交换。

为了设计该研究中最复杂的肺模拟结构，这是科学的封面，米勒与研究合作者Jessica Rosenkrantz和神经系统联合创始人Jesse Louis-Rosenberg合作。

“当我们建立神经系统时，其目标是将自然界中的算法应用于设计产品的新方法，”Rosenkrantz说。“我们从没想过我们有机会把它带回来并设计活组织。”

在治疗肝病治疗植入物的测试中，团队3-D印刷组织，将它们装载原代肝细胞并将其植入小鼠体内。组织具有用于血管和肝细胞的独立隔室，并植入患有慢性肝损伤的小鼠中。测试显示肝细胞在植入后存活。

米勒说，新的生物打印系统也可以产生血管内特征，如二尖瓣，允许液体只在一个方向流动。在人类中，血管内瓣膜存在于心脏，腿静脉和互补网络中，如淋巴系统，没有泵来驱动血流。

“通过增加多种血管和血管内结构，我们为工程活组织引入了一套广泛的设计自由，”米勒说。“我们现在可以自由地建造身体中发现的许多错综复杂的结构。”

生物工程师已经清除了3D打印替代器官的主要障碍，采用突破性技术生物打印组织，具有精细缠绕的血管网络，模仿身体的血液，空气，淋巴和其他重要液体的自然通道。这项研究发表在5月3日的“科学”杂志上，其中包括一个模仿肺部气囊的水凝胶模型，其中气道将氧气输送到周围的血管。该研究小组还报告了将包含肝细胞的生物打印构建体植入小鼠的实验。图片来源：布兰登马丁/莱斯大学

Miller和Grigoryan正在通过一家名为Volumetric的休斯顿创业公司将研究的关键方面商业化。Grigoryan全职加入的公司正在设计和制造生物打印机和生物燃料。

米勒是开源3D打印的长期倡导者，他表示，已发表的科学研究中的所有来源数据均可免费获得。此外，可以使用构建立体平版印刷设备所需的所有3-D可打印文件，以及用于打印研究中使用的每个水凝胶的设计文件。

“使水凝胶设计文件可用将允许其他人在这里探索我们的努力，即使他们利用了今天不存在的一些未来的3D打印技术，”米勒说。

米勒说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。

“我们只是在探索人体中发现的架构之初，”他说。“我们还有很多东西需要学习。”#清风计划#

更多信息： B。Grigoryan等，“生物相容性水凝胶中的多血管网络和功能性血管内拓扑”，Science（2019）。science.sciencemag.org/cgi/doi ... 1126 / science.aav9750

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