生物工程师在3d打印替代器官的道路上扫清了主要障碍
生物工程师们通过一项突破性的生物打印组织技术，扫清了3d打印替代器官的主要障碍。
这项新发明使科学家们能够创造出精巧的纠缠血管网络，模拟人体血液、空气、淋巴和其他重要液体的自然通道。
这项研究被刊登在本周的杂志封面上科学．它包括一个视觉上令人震惊的原理证明——一个模拟肺气囊的水凝胶模型，气道将氧气输送到周围的血管。此外，还报道了将含有肝细胞的生物打印构造植入小鼠体内的实验。
这项工作由莱斯大学的生物工程师乔丹·米勒和华盛顿大学的凯利·史蒂文斯领导，包括来自莱斯大学、华盛顿大学、杜克大学、罗文大学和马萨诸塞州萨默维尔的神经系统设计公司的15名合作者。
“生成功能的最大障碍之一组织米勒是莱斯大学布朗工程学院生物工程助理教授，他说:“我们无法打印复杂的脉管系统，为人口密集的组织提供营养。”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，或肝脏的胆管和血管。这些相互渗透的网络在物理和生物化学上纠缠在一起，结构本身与组织功能密切相关。我们的技术是第一个以直接和全面的方式解决多血管化挑战的生物打印技术。”
史蒂文斯是华盛顿大学工程学院生物工程助理教授，华盛顿大学医学院病理学助理教授，华盛顿大学干细胞和再生医学医学研究所的研究员，他说多血管化很重要，因为形式和功能通常是齐头并行的。
史蒂文斯说:“组织工程学已经在这个问题上挣扎了一代人。”“有了这项工作，我们现在可以更好地问，‘如果我们可以打印出看起来甚至呼吸起来更像我们体内健康组织的组织，那么它们在功能上的表现也会更像这些组织吗?这是一个重要的问题，因为生物打印组织的功能好坏将影响其作为一种治疗方法的成功程度。”
生物打印健康、有功能的器官的目标是由器官移植的需求驱动的。仅在美国，就有超过10万人在等待器官移植，而那些最终接受捐赠器官的人仍然要终身服用免疫抑制药物，以防止器官排斥。生物打印技术在过去十年里引起了人们的极大兴趣，因为它理论上可以解决这两个问题，允许医生用病人自己的细胞打印替代器官。有一天，现成的功能器官可以用于治疗全球数百万患者。
米勒说:“我们预计生物打印将在未来20年内成为医学的主要组成部分。”
史蒂文斯说:“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。”“肝脏的复杂性意味着目前没有任何机器或疗法可以在它衰竭时替代它的所有功能。打印的人体器官也许有一天会提供这种疗法。”
为了应对这一挑战，该团队创造了一种新的开源生物打印技术，被称为“组织工程立体光刻设备”，或石板。该系统采用增材制造技术，一次制造一层软水凝胶。
层是由液体预水凝胶溶液打印出来的，当暴露在蓝光下时，它就会变成固体。数字光处理投影仪从下方照射光线，以高分辨率显示连续的二维结构切片，像素大小从10-50微米不等。随着每一层依次凝固，头顶上的手臂将不断增长的3-D凝胶举起，使液体暴露在投影仪的下一张图像中。米勒和该研究的主要合著者、莱斯大学研究生巴格拉特·格里高良(Bagrat Grigoryan)的关键见解是，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细的一层。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软的、水基的、生物相容性的凝胶。
对模拟肺结构的测试表明，该组织足够坚固，避免在手术过程中破裂血液流动还有脉动“呼吸”，一种有节奏的空气吸入和流出，模拟人类呼吸的压力和频率。测试发现，红细胞在流经“呼吸”气囊周围的血管网络时可以吸收氧气。氧气的这种运动类似于肺泡气囊中的气体交换。
来设计研究中最复杂的肺模拟结构，这在封面上科学米勒与《神经系统》的联合创始人杰西卡·罗森克兰茨和杰西·路易斯-罗森博格合作。
罗森克兰茨说:“当我们创立‘神经系统’时，我们的目标是将自然界的算法转化为设计产品的新方法。”“我们从来没有想过我们有机会把它带回来，设计活组织。”
在肝病治疗植入物的测试中，该团队用3d打印出组织，将原代肝细胞植入小鼠体内。组织有单独的隔室血管以及肝细胞，并被植入慢性肝损伤小鼠体内。测试表明，肝细胞存活了下来。
米勒说，新的生物打印系统还可以产生血管内特征，比如允许液体只向一个方向流动的双尖瓣。在人类中，血管内瓣膜存在于心脏、腿静脉和像淋巴系统这样的互补网络中，这些网络没有泵来驱动血流。
米勒说:“随着多血管和血管内结构的加入，我们为工程活组织引入了广泛的设计自由。”“我们现在可以自由地建造人体中发现的许多复杂结构。”
米勒和格里高良正在通过一家名为Volumetric的休斯敦初创公司将这项研究的关键方面商业化。Grigoryan全职加入该公司，设计和制造生物打印机和生物墨水。
米勒长期以来一直是开源3d打印的拥护者，他说所有的实验数据都来自已发表的论文科学学习是免费的。此外，构建立体光刻打印设备所需的所有3d打印文件以及用于打印研究中使用的每种水凝胶的设计文件都是可用的。
米勒说:“公开水凝胶设计文件将允许其他人探索我们在这方面的努力，即使他们利用了一些目前不存在的未来3d打印技术。”
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。
“我们对人体结构的探索才刚刚开始，”他说。“我们还有很多东西要学。”
