2019 年 5 月 3 日凌晨，最新一期 Science 雜志以封面形式刊登了美國多所高校科學(xué)家團(tuán)隊完成的一項重磅成果，該團(tuán)隊創(chuàng)建了一種新的開源生物打印技術(shù)，可以在幾分鐘內(nèi)生產(chǎn)出具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的柔軟、水基、生物相容性凝膠。通過這項突破性的生物組織打印技術(shù)，研究人員可以創(chuàng)造出模仿人體血液、空氣、淋巴液和其他重要液體復(fù)雜天然脈管系統(tǒng)的水凝膠器官替代物。

圖 | 最新一期 Science 封面（來源：Science）

在研究人員展示的模擬肺泡囊水凝膠模型中，精美絕倫的血管網(wǎng)絡(luò)不僅震撼視覺，而且證明了其中氣道可以將氧氣輸送到周圍的血管，攻克了 3D 打印含有復(fù)雜脈管系統(tǒng)功能性器官替代物的主要障礙。此外，研究人員還成功將含有肝細(xì)胞的生物打印構(gòu)建物植入小鼠體內(nèi)。

圖 | 模擬肺泡囊的模型，氣道和血管并未直接接觸，但仍能夠為紅細(xì)胞提供氧氣（來源：Rice University）

與 3D 打印各種奇形怪狀的物品不同，3D 打印活體器官（哪怕厚度超過幾毫米的組織）如果沒有脈管系統(tǒng)作為提供營養(yǎng)和排除廢物的通道，就會造成組織結(jié)構(gòu)內(nèi)部的活細(xì)胞很快死亡。因此，對于生物工程師來說，探索 3D 打印包含大量活細(xì)胞原型組織的方法，面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

3D 打印包含復(fù)雜脈管系統(tǒng)的活體組織

“創(chuàng)建功能性組織替代物的最大障礙之一，就是我們無法打印能夠為人類稠密組織提供營養(yǎng)的復(fù)雜脈管系統(tǒng)。”本次研究的主要領(lǐng)導(dǎo)者、萊斯大學(xué)（Rice University）布朗工程學(xué)院生物工程助理教授 Jordan Miller 說。

我們的器官實際上包含著獨立的脈管網(wǎng)絡(luò)，如肺部的氣管和血管，或肝臟中的膽管和血管，這些復(fù)雜的脈管網(wǎng)絡(luò)在物理和生化層面糾纏在一起，結(jié)構(gòu)本身與組織功能密切相關(guān)。而這項研究所做的，是第一個直接和全面解決復(fù)雜脈管系統(tǒng)挑戰(zhàn)的生物打印技術(shù)。

“肝臟特別有趣，因為它具有令人難以置信的 500 多種功能，可能僅次于大腦?！比A盛頓大學(xué)（University of Washington）生物工程和病理學(xué)系助理教授 KellyStevens 說，”肝臟的復(fù)雜性意味著目前沒有任何機器或療法可以在肝臟生病時取代其所有功能。而生物打印的人體器官有朝一日可能會提供這種療法?！?/p>

為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊創(chuàng)建了一種新的開源生物打印技術(shù)，稱為”組織工程立體光刻儀（SLATE）”。該系統(tǒng)使用激光增材制造技術(shù)，一次打印一層軟水凝膠。

視頻 | 最新研究清除 3D 打印替代器官的主要障礙（來源：Youtube/Rice University）

每一層由液體預(yù)水凝膠溶液打印，當(dāng)暴露于藍(lán)光時變成固體。數(shù)字光處理投影儀從下方發(fā)出光線，以像素大小從 10-50 微米不等的高分辨率顯示結(jié)構(gòu)的連續(xù)二維切片。隨著每一層依次凝固，頂臂將不斷增長的 3D 凝膠舉起，剛好讓液體暴露在投影儀的下一幅圖像中。

這其中的關(guān)鍵是添加能夠吸收藍(lán)光的廣泛用于食品工業(yè)的生物相容性光吸收劑，這些光吸收劑將凝固限制在非常精細(xì)的一層中。通過這種方式，該系統(tǒng)可以在幾分鐘內(nèi)生產(chǎn)出具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的柔軟、水性、生物相容性凝膠。

對肺部模擬結(jié)構(gòu)的測試顯示，這些組織足夠堅固，可以避免在血液流動和脈動”呼吸”過程中破裂。脈動”呼吸”是一種有節(jié)奏的吸氣和呼氣，模擬了人類呼吸的壓力和頻率。測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)紅細(xì)胞流經(jīng)”呼吸”氣囊周圍的血管網(wǎng)絡(luò)時，它們可以吸收氧氣。這種氧氣的運動類似于肺泡囊中的氣體交換。

圖 | 糾纏的血管網(wǎng)絡(luò)（來源：Science）

為了驗證打印組織的生物兼容性，研究團(tuán)隊將裝載了肝細(xì)胞的 3D 打印組織植入患有慢性肝損傷的小鼠體內(nèi)，組織具有用于血管和肝細(xì)胞的獨立隔室。實驗結(jié)果顯示，肝細(xì)胞能夠在植入后存活。

圖 | 功能性肝水凝膠載體在患有慢性肝損傷的小鼠體內(nèi)進(jìn)行為期 14 天的植入（來源：Jordan Miller/Rice University）

Kelly Stevens 表示，復(fù)雜的脈管系統(tǒng)十分重要，因為結(jié)構(gòu)和功能往往相輔相成?！苯M織工程學(xué)在這方面已經(jīng)掙扎了一代人的時間。通過這項工作，我們現(xiàn)在可以更進(jìn)一步，如果我們能夠打印看起來更像是我們體內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的健康組織，那么它們在功能上的表現(xiàn)會更像那些組織嗎？這是一個重要的問題，因為生物打印組織功能的好壞，將影響它作為一種療法的成功程度?！?/p>

探索人體器官更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)

器官移植的巨大需求推動了生物打印健康和功能性器官的發(fā)展。僅在美國，就有超過 10 萬人在等待器官移植，而那些最終接受捐贈器官的人，為應(yīng)對器官免疫排斥仍然要進(jìn)行終生免疫抑制藥物的治療。

在過去的十年中，生物打印技術(shù)引起了人們極大的興趣，因為理論上它可以允許醫(yī)生通過病人自身細(xì)胞打印替代器官，來解決器官短缺和器官免疫排斥這兩個問題。有朝一日，如果 3D 打印功能性器官能夠?qū)崿F(xiàn)，那將能夠治療全球數(shù)百萬患者。

“我們預(yù)計生物打印將在未來二十年內(nèi)成為醫(yī)學(xué)的重要組成部分?！盡iller 說。

2015 年，Miller 和賓夕法尼亞大學(xué)外科助理教授 Pavan Atluri 領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊使用糖、硅膠和 3D 打印機，創(chuàng)建了一個包含錯綜復(fù)雜血管網(wǎng)絡(luò)的植入物，為創(chuàng)建可移植的替代組織和器官奠定了基礎(chǔ)。

圖 | 內(nèi)部包含血管網(wǎng)絡(luò)的 3D 打印結(jié)構(gòu)體，大小和小熊軟糖差不多（來源：Jeff Fitlow/RiceUniversity）

雖然當(dāng)時的這些”作品”看起來并不像器官中的血管，但它們具有移植器官相關(guān)的一些關(guān)鍵特征。

2016 年，Miller 領(lǐng)導(dǎo)的萊斯大學(xué)生物工程研究團(tuán)隊創(chuàng)造性地改良商用級 CO2 激光切割機，創(chuàng)建了 OpenSLS 平臺，這是一種開源的選擇性激光燒結(jié)平臺，可以從粉末塑料和生物材料中打印復(fù)雜的 3D 物體。

OpenSLS 的工作原理與大多數(shù)傳統(tǒng)的基于擠壓的 3d 打印機不同。傳統(tǒng)的 3d 打印機在打印二維圖形時，是通過針擠壓融化的塑料來創(chuàng)建物體，然后從連續(xù)的二維層構(gòu)建三維對象。相比之下，SLS 激光照射到塑料粉末的平板上，會在激光焦點處熔化或燒結(jié)粉末，形成小體積的固體材料。一層完成后，會鋪上一層新的粉末，循環(huán)往復(fù)。由于燒結(jié)的物體完全由三維粉末支撐，這種技術(shù)能夠產(chǎn)生其他 3D 打印技術(shù)根本無法生產(chǎn)的極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

圖 | OpenSLS 打印的小鼠肝臟動脈系統(tǒng)尼龍模型（來源：Youtube/Rice University）

2017 年，Miller 和貝勒醫(yī)學(xué)院生物物理學(xué)家 Mary Dickinson 實驗室的一個團(tuán)隊展示了如何使用人體內(nèi)皮細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞來啟動脈管形成的過程。研究證實了這些由”誘導(dǎo)多能干細(xì)胞”分化成的內(nèi)皮細(xì)胞具有形成毛細(xì)管樣結(jié)構(gòu)的能力，無論是在稱為纖維蛋白的天然材料中，還是在稱為明膠甲基丙烯酸酯的半合成材料中。

2018 年，Miller 和萊斯大學(xué)生物工程師 Omid Veiseh 一起嘗試將細(xì)胞療法應(yīng)用與先進(jìn)的 3D 打印技術(shù)相結(jié)合，用于 1 型糖尿病治療。他們開發(fā)的容納胰島細(xì)胞和底層血管網(wǎng)絡(luò)的 3D 打印水凝膠，能夠保護(hù)植入的胰島細(xì)胞免受免疫系統(tǒng)影響的封裝材料，同時讓細(xì)胞生長和應(yīng)對環(huán)境變化。

而在最新的這項研究中，為了設(shè)計出復(fù)雜的肺臟結(jié)構(gòu)，Miller還與馬薩諸塞州一家設(shè)計公司 Nervous System 的聯(lián)合創(chuàng)始人 Jessica Rosenkrantz 和 Jesse Louis-Rosenberg合作。

“當(dāng)初我們創(chuàng)立 Nervous System 時，目標(biāo)是將自然界中的算法應(yīng)用于設(shè)計產(chǎn)品的新方法，”Rosenkrantz 說?！睕]想到現(xiàn)在我們有機會設(shè)計活組織?！?/p>

圖 | 萊斯大學(xué)生物工程學(xué)助理教授 Jordan Miller（來源：Jeff Fitlow/RiceUniversity）

Miller 表示，新的生物打印系統(tǒng)也可以產(chǎn)生血管內(nèi)特征，如只允許血液向一個方向流動的二尖瓣。在人體中，血管內(nèi)瓣膜存在于心臟、腿靜脈和淋巴系統(tǒng)中?！蓖ㄟ^增加多種脈管和脈管內(nèi)結(jié)構(gòu)，我們?yōu)楣こ袒罱M織引入了一套廣泛的設(shè)計自由。”Miller 說，”我們現(xiàn)在可以自由地建造身體中發(fā)現(xiàn)的許多錯綜復(fù)雜的結(jié)構(gòu)?！?/p>

視頻 | 功能性血管內(nèi)二尖瓣的設(shè)計和打?。▉碓矗篠cience）

研究團(tuán)隊正在通過一家名為 Volumetric 的休斯頓創(chuàng)業(yè)公司將研究的關(guān)鍵方面商業(yè)化。Miller 的實驗室也已經(jīng)在使用新的設(shè)計和生物打印技術(shù)來探索更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)?！蔽覀儗θ梭w結(jié)構(gòu)的探索才剛剛開始，我們還有很多東西需要學(xué)習(xí)。”

而一貫支持開源 3D 打印技術(shù)的 Mille 也表示，發(fā)表在 Science 雜志上的所有實驗數(shù)據(jù)均可免費獲得。此外，用于構(gòu)建立體光刻設(shè)備所需的所有 3D 打印文件，以及本次研究中打印的每個水凝膠的設(shè)計文件，均是可獲取的。

“開放水凝膠的設(shè)計文件，將允許其他人繼續(xù)探索我們的努力內(nèi)容，甚至他們會使用一些今天不存在的未來 3D 打印技術(shù)?！盡iller 說。