新開源生物打印技術(shù)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

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(guó)多所高?？茖W(xué)家團(tuán)隊(duì)完成的一項(xiàng)重磅成果，該團(tuán)隊(duì)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(guò)這項(xiàng)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。

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(jué)，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?yàn)榧t細(xì)胞提供氧氣

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(guò)幾毫米的組織）如果沒(méi)有脈管系統(tǒng)作為提供營(yíng)養(yǎng)和排除廢物的通道，就會(huì)造成組織結(jié)構(gòu)內(nèi)部的活細(xì)胞很快死亡。因此，對(duì)于生物工程師來(lái)說(shuō)，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(wú)法打印能夠?yàn)槿祟惓砻芙M織提供營(yíng)養(yǎng)的復(fù)雜脈管系統(tǒng)?！北敬窝芯康闹饕I(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(shuō)。

我們的器官實(shí)際上包含著獨(dú)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(xiàng)研究所做的，是第一個(gè)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?yàn)樗哂辛钊穗y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(shuō)，”肝臟的復(fù)雜性意味著目前沒(méi)有任何機(jī)器或療法可以在肝臟生病時(shí)取代其所有功能。而生物打印的人體器官有朝一日可能會(huì)提供這種療法?！?/p>

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)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(lái)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(shí)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(zhǎng)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(guò)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(duì)肺部模擬結(jié)構(gòu)的測(cè)試顯示，這些組織足夠堅(jiān)固，可以避免在血液流動(dòng)和脈動(dòng)”呼吸”過(guò)程中破裂。脈動(dòng)”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(cè)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(shí)，它們可以吸收氧氣。這種氧氣的運(yùn)動(dòng)類似于肺泡囊中的氣體交換。

圖 | 糾纏的血管網(wǎng)

為了驗(yàn)證打印組織的生物兼容性，研究團(tuán)隊(duì)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(dú)立隔室。實(shí)驗(yàn)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

Kelly Stevens 表示，復(fù)雜的脈管系統(tǒng)十分重要，因?yàn)榻Y(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(shí)間。通過(guò)這項(xiàng)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(lái)更像是我們體內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的健康組織，那么它們?cè)诠δ苌系谋憩F(xiàn)會(huì)更像那些組織嗎？這是一個(gè)重要的問(wèn)題，因?yàn)樯锎蛴〗M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(dòng)了生物打印健康和功能性器官的發(fā)展。僅在美國(guó)，就有超過(guò) 10 萬(wàn)人在等待器官移植，而那些最終接受捐贈(zèng)器官的人，為應(yīng)對(duì)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(guò)去的十年中，生物打印技術(shù)引起了人們極大的興趣，因?yàn)槔碚撋纤梢栽试S醫(yī)生通過(guò)病人自身細(xì)胞打印替代器官，來(lái)解決器官短缺和器官免疫排斥這兩個(gè)問(wèn)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(wàn)患者。

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

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(duì)使用糖、硅膠和 3D 打印機(jī)，創(chuàng)建了一個(gè)包含錯(cuò)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

雖然當(dāng)時(shí)的這些”作品”看起來(lái)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(duì)創(chuàng)造性地改良商用級(jí) CO2 激光切割機(jī)，創(chuàng)建了 OpenSLS 平臺(tái)，這是一種開源的選擇性激光燒結(jié)平臺(tái)，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(jī)不同。傳統(tǒng)的 3d 打印機(jī)在打印二維圖形時(shí)，是通過(guò)針擠壓融化的塑料來(lái)創(chuàng)建物體，然后從連續(xù)的二維層構(gòu)建三維對(duì)象。相比之下，SLS 激光照射到塑料粉末的平板上，會(huì)在激光焦點(diǎn)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(huì)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(wú)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(dòng)脈系統(tǒng)尼龍模型

2017 年，Miller 和貝勒醫(yī)學(xué)院生物物理學(xué)家 Mary Dickinson 實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)團(tuán)隊(duì)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(lái)啟動(dòng)脈管形成的過(guò)程。研究證實(shí)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(wú)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(shí)讓細(xì)胞生長(zhǎng)和應(yīng)對(duì)環(huán)境變化。

而在最新的這項(xiàng)研究中，為了設(shè)計(jì)出復(fù)雜的肺臟結(jié)構(gòu)，Miller還與馬薩諸塞州一家設(shè)計(jì)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(shí)，目標(biāo)是將自然界中的算法應(yīng)用于設(shè)計(jì)產(chǎn)品的新方法，”Rosenkrantz 說(shuō)。”沒(méi)想到現(xiàn)在我們有機(jī)會(huì)設(shè)計(jì)活組織?！?/p>

圖 | 萊斯大學(xué)生物工程學(xué)助理教授 Jordan Miller

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(gè)方向流動(dòng)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。”通過(guò)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(jì)自由?！盡iller 說(shuō)，”我們現(xiàn)在可以自由地建造身體中發(fā)現(xiàn)的許多錯(cuò)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(jì)和打印（來(lái)源：Science）

研究團(tuán)隊(duì)正在通過(guò)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(shí)驗(yàn)室也已經(jīng)在使用新的設(shè)計(jì)和生物打印技術(shù)來(lái)探索更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)?！蔽覀儗?duì)人體結(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)?！?/p>

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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均可免費(fèi)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(gè)水凝膠的設(shè)計(jì)文件，均是可獲取的。

“開放水凝膠的設(shè)計(jì)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(huì)使用一些今天不存在的未來(lái) 3D 打印技術(shù)?！盡iller 說(shuō)。