Science 杂志封面重磅:可制造人工器官复杂血管网络的3D打印技术

作者: 51SHAPE   来源:3D科学谷   发布日期: 2019/5/13 12:44:34 

通过生物相容性凝胶材料、干细胞和3D打印技术制造人造组织或器官是一项复杂的课题,其中一个难以突破的问题是如何在组织或器官内部生成为细胞输送营养的血管。

5月3日,Science (《科学》)杂志刊登了篇极具里程碑意义的重磅论文-Multivascular networks and functional intravascular topologies within biocompatible hydrogels。该论文为最新一期Science 杂志的封面文章。根据该论文的描述,科学家能够通过一种立体光刻3D打印技术生成人造器官中的错综交缠的血管网络,生成用于运输空气、淋巴液等物质的管道。

此研究将有助于组织工程领域的科学家更好的理解3D打印器官,促进“人造器官”研究的发展。

Science_Cover_Paths for blood and oxyen图片:Science 杂志封面

block 光固化3D打印制造复杂血管结构

这项研究的研究团队来自于莱斯大学、华盛顿大学、威斯康星大学、杜克大学、罗文大学以及设计公司Nervous System。

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来源:Science

研究团队制造了一个模仿肺泡的水凝胶模型,根据3D科学谷的了解,该模型具备初步的功能性,模型中的气道能够将氧气输送到周围的血管。

这一看似简单的功能,却是一直以来3D打印人工器官的难题。根据论文的通讯作者Jordan Miller教授,在制造具有功能的人工组织时,科学家所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。此外,人体内的器官还有独立的管道系统,比如说肺部既有血管又有气道,肝脏既有血管也有胆管,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。

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来源:Science

为解决以上难题,研究团队使用了一种全新的3D打印技术。与工业3D打印技术的原理类似,在打印时,器官、组织的三维设计图被切割成为二维切片,然后在软件控制下进行逐层打印,每个打印层通过特殊的蓝光进行固化。

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2D切片,像素尺寸范围为10-50微米。随着每个打印层依次固化,打印机顶臂将逐层增长的3D凝胶向上提升,直到足以将凝胶液体暴露于投影仪的照射光线下。这样一层一层堆积起来,就有了一个三维的凝胶结构。研究人员称,这些打印出的3D打印结构柔软并且具有生物兼容性,且内部有着精细的结构(分辨率达10-50微米)。

这项研究中涉及到的生物3D打印技术还有一个特殊之处,研究团队使用一种食品级染料添加剂,作为用于投影立体光刻3D打印的有效光吸收剂,这些光吸收剂将水凝胶材料的固化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即可生产出具有复杂内部血管结构的柔软水凝胶结构。

研究团队发现,通过以上3D打印技术制造的肺泡模型中的“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,该模型也能承受对吸气和呼气的模拟。此外,研究团队发现,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,这与人体肺泡附近的氧气交换如出一辙。

在实验过程中,研究团队通过多种人工组织模型验证以上3D打印技术制造带有复杂血管结构的可行性。除了3D打印肺泡模型之外,他们还制造了肝脏组织,研究人员在3D打印肝脏组织中植入了原代肝细胞,并将它们放入了带有慢性肝损伤的小鼠体内。研究表明,这些肝细胞能在体内生存,这说明3D打印肝脏组织中的血管能够有效为组织细胞输送养分。

block 3D科学谷Review

再生医学领域所期待的终极目标是通过人的干细胞进行组织和器官再生,从而替代异体器官移植,并解决器官排异或者供体器官短缺的问题。3D打印技术在近年来与再生医学研究进行了结合,科学家通过三维技术在制造人工软骨组织、人工肾脏组织、人工肝脏组织、人工心脏、人工脑组织等领域进行了尝试,然而这些尝试距离在临床治疗中的应用还有相当长的道路。

根据3D科学谷的市场研究,生物3D打印技术研究的重要目标就是通过增材制造技术和再生医学技术实现组织、器官的人工培养,最终解决移植器官供体短缺的问题。然而,生物3D打印器官技术仍存在很多需要解决的难题,主要包括:材料、血管形成与法规。这三大因素是目前阻碍3D打印人工器官成为一种现实的临床治疗技术的主要障碍。

无疑,本文中所提及的通过光固化3D打印和特殊光吸收剂形成复杂血管的技术,在解决3D打印器官血管形成方面迈进了一步。

根据3D科学谷的市场观察,近日以色列特拉维夫大学也在带有血管的3D打印器官方面取得了进展,他们宣布已利用患者细胞和生物材料成功设计和打印出充满细胞、血管并有心室和心房的完整心脏。

文章来源:文汇报、学术经纬

参考资料:

Bagrat Grigoryan, Samantha J. Paulsen,et al. Multivascular networks and functional intravascular topologies within biocompatible hydrogels. https://science.sciencemag.org/content/364/6439/458/tab-figures-data

 

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