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2019-05-16

Science:3D打印器官最大难题—微小血管网络首被攻破

来源 | SingularityHub

文 | EDD GENT

译 | Claire

头图来源 | Shutterstock


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目前,我们几乎已经可以做到在实验室内自主培养人体器官,但如何创造出器官生长所需的血管网络——这一最大难关仍未被攻破。一项研究表明,只需一种常见的食物染料即可解决这一问题。

在美国,目前有超过10万人仍在等待器官进行移植。即使你足够幸运,等到了匹配的器官并完成了移植,也将不得不终生服用免疫抑制剂。这就是为什么科学家们一直以来都梦想着能使用病人自己的细胞培养新的器官,这将同时解决器官资源短缺和器官排异风险这两个问题。

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▲威斯康星大学医学与公共卫生学院3D打印人耳。来源:eandt.theiet.org


这些年,组织工程学领域已经取得了很大的进展。实验室培养的人工皮肤应用于医学领域已有数十年历史。并且,无论是人工材料还是人体自然支撑结构中提取出的细胞制成的干细胞都已经被用于培养生物支架。


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然而,最激动人心的进展是将3D打印技术引入该领域,这有望将工程师享受的速度、灵活性以及定制活动带入生物医学领域。

所谓的生物打印机已被用于制造用于科学研究的细胞器,并且已有令人信服的证据表明“制造完整的器官”这一概念很可能成真。

但是所有的组织工程师面临的共同挑战是如何形成血管网络。建造零散的组织并不难,但是科学家们一直在努力创造复杂的微小血管网络,这些血管可以将营养物质和氧气带入血管,同时将废物带出。这就是为什么大部分实验成果都是直径一两英寸或者中空的结构,例如喉咙或膀胱。


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▲3D打印人造膀胱。来源:Anthony Atala | TED2011


现在一支由美国莱斯大学科学家领导的研究团队已经创建出了一个3D生物打印机,它可以打印生物相容性水凝胶中不到三分之一毫米宽的血管。《科学》杂志刊出的文章,描述了他们是如何使用生物打印机创建出了一个可以有效地为人体血液供氧的人体肺部模型。


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▲来源:science.sciencemag.org


该团队使用了一种常见的被称为投影立体光刻(projection stereolithography)的3D打印技术,它使用光线逐层固化光敏树脂。

生成轻量级的高分辨率图案相当简单,但挑战在于如何使树脂足够敏感以复制那些微小的细节。一个关键的发现是一种名为“黄色5号”的常见食用染料,它可以有效地吸收蓝光,同时将凝固过程限制在一个非常精细的层次中。这种化学物质来自食品和饮料生产行业,因此是安全无毒的。

他们用这种方法创建了一个复杂的肺部模型,模型中细小的肺泡被完善的血管网络包裹着。实验中,他们发现人造器官可以为血液供氧。为了证明该技术有朝一日可以用于人类,他们还使用了打印出的组织载体,在将它们植入小鼠之前使其载入肝细胞。

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莱斯大学的研究团队并不是唯一一支致力于攻克这一难题的团队。新成立的Prellis Biologics公司也致力于生物打印微小的毛细血管,去年12月,他们推出了一系列带有内置毛细血管的组织支架。

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▲肿瘤在Prellis' 2mm x 1mm Organoid™上生长48小时后。来源:prellisbio.com


虽然解决血液供应问题一直是组织工程师的首要愿望,但最新研究的作者们指出,循环系统并不是唯一一个存在这些精细结构的地方。

“我们的器官实际上包含独立的血管网络——如肺部的气道和血管,或胆管和肝脏中的血管,”莱斯大学生物工程助理教授兼《科学》报告的高级作者Jordan Miller说。

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▲Jordan Miller, Ph.D.。来源:bioengineering.rice.edu


“这些互相贯穿的网络在物理和生物化学领域互相联结,而体系结构本身与组织功能密切相关。我们运用的技术是第一个以直接且全面的方式应对多种血管挑战的生物打印技术,“他说。

要想将这种技术应用于打印整个器官,仍然任重道远,但这种方法克服了这一艰难过程中的一个主要障碍。值得注意的是,研究人员决定公开该项目,以便其他人能够以他们的设计为基础,加快推动该领域的发展。


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