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學科前沿
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Science:3D打印器官最大難題—微小血管網絡首被攻破
 
時間:2019-05-23
作者單位:美柏
作者:
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目前,我們幾乎已經可以做到在實驗室內自主培養人體器官,但如何創造出器官生長所需的血管網絡——這一最大難關仍未被攻破。一項研究表明,只需一種常見的食物染料即可解決這一問題。
在美國,目前有超過10萬人仍在等待器官進行移植。即使你足夠幸運,等到了匹配的器官并完成了移植,也將不得不終生服用免疫抑制劑。這就是為什么科學家們一直以來都夢想著能使用病人自己的細胞培養新的器官,這將同時解決器官資源短缺和器官排異風險這兩個問題。
這些年,組織工程學領域已經取得了很大的進展。實驗室培養的人工皮膚應用于醫學領域已有數十年歷史。并且,無論是人工材料還是人體自然支撐結構中提取出的細胞制成的干細胞都已經被用于培養生物支架。
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然而,最激動人心的進展是將3D打印技術引入該領域,這有望將工程師享受的速度、靈活性以及定制活動帶入生物醫學領域。
所謂的生物打印機已被用于制造用于科學研究的細胞器,并且已有令人信服的證據表明“制造完整的器官”這一概念很可能成真。
但是所有的組織工程師面臨的共同挑戰是如何形成血管網絡。建造零散的組織并不難,但是科學家們一直在努力創造復雜的微小血管網絡,這些血管可以將營養物質和氧氣帶入血管,同時將廢物帶出。這就是為什么大部分實驗成果都是直徑一兩英寸或者中空的結構,例如喉嚨或膀胱。
現在一支由美國萊斯大學科學家領導的研究團隊已經創建出了一個3D生物打印機,它可以打印生物相容性水凝膠中不到三分之一毫米寬的血管?!犢蒲А吩又究齙奈惱?,描述了他們是如何使用生物打印機創建出了一個可以有效地為人體血液供氧的人體肺部模型。
該團隊使用了一種常見的被稱為投影立體光刻(projection stereolithography)的3D打印技術,它使用光線逐層固化光敏樹脂。
生成輕量級的高分辨率圖案相當簡單,但挑戰在于如何使樹脂足夠敏感以復制那些微小的細節。一個關鍵的發現是一種名為“黃色5號”的常見食用染料,它可以有效地吸收藍光,同時將凝固過程限制在一個非常精細的層次中。這種化學物質來自食品和飲料生產行業,因此是安全無毒的。
他們用這種方法創建了一個復雜的肺部模型,模型中細小的肺泡被完善的血管網絡包裹著。實驗中,他們發現人造器官可以為血液供氧。為了證明該技術有朝一日可以用于人類,他們還使用了打印出的組織載體,在將它們植入小鼠之前使其載入肝細胞。
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萊斯大學的研究團隊并不是唯一一支致力于攻克這一難題的團隊。新成立的Prellis Biologics公司也致力于生物打印微小的毛細血管,去年12月,他們推出了一系列帶有內置毛細血管的組織支架。
雖然解決血液供應問題一直是組織工程師的首要愿望,但最新研究的作者們指出,循環系統并不是唯一一個存在這些精細結構的地方。
 “我們的器官實際上包含獨立的血管網絡——如肺部的氣道和血管,或膽管和肝臟中的血管,”萊斯大學生物工程助理教授兼《科學》報告的高級作者Jordan Miller說。
“這些互相貫穿的網絡在物理和生物化學領域互相聯結,而體系結構本身與組織功能密切相關。我們運用的技術是第一個以直接且全面的方式應對多種血管挑戰的生物打印技術,“他說。
要想將這種技術應用于打印整個器官,仍然任重道遠,但這種方法克服了這一艱難過程中的一個主要障礙。值得注意的是,研究人員決定公開該項目,以便其他人能夠以他們的設計為基礎,加快推動該領域的發展。
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