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人工器官新快速突破!美国科学研究者3d技术直接打印出了还会“正常呼吸”的肺的 | Science


整理 | 一一出品 | AI科技大本营(ID:rgznai100)
据《器官移植》报道,目前我国器官捐献与移植规模总体上居全球第 2 位,但肝肾供体短缺问题严峻。人体肝脏的功能有 500 多种之多,这样的复杂性意味着目前尚没有人造物可以替代。
不过,未来的生物打印器官有望实现这一目标。如果打印的组织能像健康组织一样“呼吸”,它们在功能上是否也更接近健康组织,将直接影响它能否顺利成为一种治疗手段。
众望所盼的 3D 打印技术能解决这个问题吗?

5 月 4 日,《科学》杂志封面报道,美国莱斯大学与华盛顿大学的研究团队带来一项具有里程碑意义的发明:一个由水凝胶 3D 打印而成的肺模型,它具有与人体血管、气管结构相同的网络结构,能够像肺部一样朝周围的血管输送氧气,完成“呼吸”过程。从外形来看,这个人造器官还没有一枚硬币大。
要想 3D 打印出有效的肺模型,研究人员首先需要了解人类器官的结构是怎样的,以及这种结构上的不同功能是如何形成的。
美国莱斯大学生物工程系助理教授 Jordan Miller 解释,他们主要在做的是如何用凝胶制造活组织和活细胞。
在肺部,有气管以及环绕着的血流,最小的血管直径只有 300 微米,我们现在能看到的是血管的膨胀实际上在辅助推动环绕周遭的血管中的血液混合,人类的肺部也可能是这样。
莱斯大学生物工程系研究生 Bagart Grigoryan 表示,这一领域的一大挑战是制造较大的活组织块,并且保证它又可存活的、运转正常的细胞,制造这种活组织块非常容易,但确保这种活组织内细胞的可存活性以及功能性是个挑战。想到日后有可能制造出可植入人体的组织,这让他们非常激动。
制造活组织的最大挑战之一是搞清楚如何使氧气和营养成分输送到组织内以及如何将里面的废物排出,人类的身体通过血液循环来实现这个过程。但实际上,在软组织中植入血管且保证细胞可存活非常难,这在过去几十年一直是 3D 打印器官领域的巨大挑战。
网友@我药你笑 也解释了为什么说 3D 打印是突破了 3D 打印器官的天堑难题。由于肺部同时拥有气道和血管,它认为需要解决三个难题:1、如何使打印的器官模拟肺功能的气囊,自由交换氧气。2、如何使打印出的血管可以为组织输送氧气成分。3、在 3D 打印器官的过程中如何兼顾多种不同的管道系统。
图1 具有功能性血管内拓扑结构的整体水凝胶(Monolithic hydrogels)
在《Multivascular networks and functional intravascular topologies within biocompatible hydrogels》(生物相容性水凝胶内的多种血管网络和功能性血管内拓扑)一文中,研究人员详细介绍了他们的研究成果。
研究人员解释,固体器官通过在生物物理和生物化学上相互纠缠的独特的血管网络输送液体,形成了复杂的三维(3D)输送体系,但该方案目前仍难以进行生产和研究。他们则利用食品染料添加剂,作为用于投影立体光刻的生物相容但有效的光吸收剂,建立了可光聚合水凝胶的血管内和多血管设计自由。
在实验中,他们展示了在几分钟内产生整体透明水凝胶(monolithic transparent hydrogels),包括有效的血管内3D流体混合器和功能性二尖瓣(functional bicuspid valves)。他们还进一步从空间填充的数学拓扑中阐述了纠缠血管网络,并探讨了潮气通气和近端气道扩张过程中人体红细胞的氧合和流动。
图2 纠缠的血管网络     
图3 具有血管化肺泡模型拓扑结构的水凝胶的潮气通气和氧合作用(Tidal ventilation and oxygenation)
最后,他们还在慢性肝损伤的啮齿动物中放置了结构性可生物降解的水凝胶载体,以强调这种材料的潜在转化用途。
图4 功能性肝的水凝胶载体的植入
在打印的肝脏组织中,研究人员们植入了原代肝细胞,并将它们放入了带有慢性肝损伤的小鼠体内。研究表明,这些肝细胞也能在体内生存,打造的血管能有效为这些细胞输送养分。
想象一下,你自己的肺和心脏,以及其他一切处于运转当中的器官组织,研究人员认为,探索 3D 打印器官,比如瓣膜、模仿肺部功能的组织对生物医学领域来说极其重要。不过,研究人员的态度是谨慎而乐观的,在探索人类内部器官构造方面这才刚刚开始,还有很多要去了解和学习的知识。
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