新型3D生物打印技术可以生产人造血管和器官组织

CU Boulder工程师开发了一种3D打印技术，可以重现血管的复杂几何形状，并且有朝一日可用于生产人造动脉和器官组织。

CU Boulder的3D打印方法允许对对象的坚固性进行局部控制。它具有细粒度，可编程的刚性控制，使研究人员能够模拟高度结构化但仍必须保持柔韧的复杂血管几何形状。

“我们的想法是在三维结构中加入独立的机械特性，以模拟人体的自然组织，”该研究的资深作者、CU Boulder公司机械工程系副教授尹晓波说。

“这项技术使我们能够创建可以针对疾病模型进行定制的微结构，”尹晓波说。研究结果有朝一日可以为患有高血压和其他血管疾病的人提供更好，更个性化的治疗方法。

硬化的血管与心血管疾病有关，但是历史证明，为活动脉和组织置换设计解决方案具有挑战性。为了克服这些障碍，CU Boulder的研究人员发现了一种独特的方式来利用氧气在设置3D打印结构的最终形式中的作用。

“氧气通常是一件坏事，因为它导致不完全固化，”机械工程博士后研究员，该研究的第一作者丁永辉说。 “在这里，我们利用一层允许固定氧气渗透率的层。”

通过严格控制氧气迁移及其随后的光照，研究人员可以自由地控制物体的哪些区域固化为更硬或更柔软 - 同时保持整体几何形状相同。

通过氧气抑制辅助立体光刻法对基质刚度和几何形状进行正交编程。数字投影立体光刻3D打印系统的示意图设置，其中水凝胶前体溶液通过UV暴露逐层固化。插图是3D打印的复杂对象的SEM图像。比例尺为500μm。 b氧抑制辅助打印的示意图，其中固化区物理地限制在固化区域和氧气抑制层之间。 c不同紫外线照射剂量下双键转化率的深度分布。氧气抑制层的厚度与曝光剂量的关系很弱，固化厚度也是如此。当剂量高于阈值时，双键转化率随剂量迅速增加。 d打印水牛徽标的明场光学图像，具有独立图案的刚度和几何形状（二元刚度但平坦的表面）。高光学对比度表明交联密度的强烈差异，因此表明刚度。比例尺为200μm。 e沿b中虚线的光学对比度（黑线）和几何（蓝线）变化的量化显示对比度（刚度）的明显差异，但特征高度变化很小（<1％）

“这是一个深远的发展，朝着我们创造像健康细胞起作用的结构的目标迈出了令人鼓舞的第一步，”丁永辉说。

作为示范，研究人员3D打印出三个版本的简单结构：顶梁由两根杆支撑。结构在形状，尺寸和材料上是相同的，但是已经打印了杆刚度的三种变化：柔软/柔软，硬/软和硬/硬。较硬的杆支撑顶梁，而较软的杆允许其完全或部分塌陷。

研究人员用一个中国小战士的身材重复了这一壮举，将它打印出来，使外层保持坚硬而内部保持柔软，可以说，让战士拥有坚韧的外表和温柔的内心。

桌面尺寸的3D打印机目前能够处理尺寸小至10微米的生物材料，或约为人类头发宽度的十分之一。研究人员乐观地认为，未来的研究将有助于进一步提高这种能力。

“挑战在于为化学反应创造一个更精细的尺度，”尹晓波说。“但我们看到了这项技术的巨大机遇，以及人造组织制造的潜力。”

该研究最近发表在Nature Communications杂志上。