健康教育网休斯敦-（2019年5月2日）-生物工程师通过一项生物打印组织的突破性技术，清除了通往3D打印替换器官的主要障碍。
这项新的创新技术使科学家能够创建精致的纠缠血管网络，模仿人体的血液，空气，淋巴液和其他重要液体的天然通道。
这项研究刊登在本期《科学》的封面上。它包括一个视觉上令人惊叹的原理证明-一种模拟肺气囊的水凝胶模型，其中气道将氧气输送到周围的血管。还报道了将含有肝细胞的生物打印结构植入小鼠体内的实验。
这项工作是由莱斯大学的生物工程师约旦·米勒和华盛顿大学的凯利·史蒂文斯领导的，包括赖斯，华盛顿大学，杜克大学，罗文大学和神经系统公司（位于马萨诸塞州萨默维尔的设计公司）的15位合作者。
赖斯布朗工程学院生物工程学助理教授米勒说：“产生功能性组织替代物的最大障碍之一是我们无法打印能够为人口稠密的组织提供营养的复杂脉管系统。”“此外，我们的器官实际上包含独立的血管网络-例如肺的气道和血管，或肝脏的胆管和血管。这些相互渗透的网络在物理和生化上是纠缠在一起的，并且架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应对多血管化挑战的生物打印技术。”
威斯康星大学工程学院生物工程学助理教授，威斯康星大学医学院病理学助理教授，威斯康星大学医学院干细胞与再生医学研究所的研究人员史蒂文斯说，多血管化很重要，因为形式和功能通常是相辅相成的在手里。
史蒂文斯说：“组织工程技术为此奋斗了一代人。”“通过这项工作，我们现在可以更好地问：“如果我们能打印出看起来和现在甚至呼吸得更像人体健康组织的组织，它们在功能上是否还会像这些组织一样运转？”这是一个重要的问题，因为生物打印组织的功能如何会影响其在治疗中的成功程度。
对器官功能进行生物打印的目标是器官移植的需求。仅在美国，就有超过100,000人处于移植等待名单上，而最终接受捐赠者器官的人仍然面临终生的免疫抑制药物，以防止器官排斥。在过去的十年中，生物打印引起了人们的极大兴趣，因为它在理论上可以通过允许医生从患者自己的细胞中打印替换器官来解决这两个问题。有一天，可以部署随时可用的功能器官来治疗全世界数百万的患者。
米勒说：“我们预计生物打印将在未来二十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，目前尚无任何机器或疗法能够在其失效时取代其所有功能。有生物印记的人体器官有一天可能会提供这种治疗方法。
为了应对这一挑战，该团队创建了一种新的开源生物打印技术，称为“用于组织工程的立体光刻设备”或SLATE。该系统使用增材制造一次制造一层软水凝胶。
从液态的预水凝胶溶液印刷层，当暴露于蓝光时，该溶液变为固体。数字光处理投影仪从下方发出光线，以高分辨率显示结构的连续2D切片，像素大小在10至50微米之间。随着每一层依次固化，高架臂抬起生长中的3D凝胶，刚好足以使液体暴露于投影仪的下一张图像。赖斯研究生和该研究的主要合著者米勒和巴格拉特·格里高良（Bagrat Grigoryan）的主要见解是添加吸收蓝光的食用染料。这些光吸收剂将固化限制在非常细的层中。这样，该系统可以在数分钟内生产出具有复杂内部结构的柔软的水基生物相容性凝胶。
对模仿肺结构的测试表明，组织足够坚固，可以避免在血流和搏动性“呼吸”过程中破裂，这是一种有节奏的进气和流出空气，模拟了人类呼吸的压力和频率。测试发现，红细胞流过围绕着“呼吸”气囊的血管网络时会吸收氧气。氧气的这种运动类似于在肺泡肺囊中发生的气体交换。
为了设计这项研究中最复杂的模仿肺的结构（在《科学》的封面上），米勒与研究合著者杰西卡·罗森克兰茨（Jessica Rosenkrantz）和神经系统共同创始人杰西·路易斯·罗森伯格（Jesse Louis-Rosenberg）合作。
Rosenkrantz说：“当我们成立神经系统公司时，其目标是将自然界的算法应用于设计产品的新方法中。”“我们从未想象过我们将有机会将其带回来并设计活体组织。”
在测试用于肝脏疾病的治疗性植入物时，研究小组3D打印了组织，并在其中装载了原代肝细胞并将其植入小鼠体内。该组织具有用于血管和肝细胞的独立隔室，并被植入患有慢性肝损伤的小鼠中。测试表明，肝细胞在植入后存活了下来。
米勒说，新的生物打印系统还可以产生血管内功能，例如二尖瓣，使流体只能沿一个方向流动。在人类中，心脏，腿部静脉和淋巴系统等互补网络中发现血管内瓣膜，这些泵没有泵来驱动血流。
米勒说：“除了增加了多血管和血管内结构，我们还引入了广泛的设计自由，可用于工程化活组织。”“我们现在可以自由地构建体内发现的许多复杂结构。”
Miller和Grigoryan正在通过休斯敦的一家名为Volumetric的初创公司将研究的关键方面商业化。Grigoryan全职加入的该公司正在设计和制造生物打印机和生物墨水。
长期以来一直是开源3D打印的拥护者米勒（Miller）表示，已出版的《科学研究》中来自实验的所有源数据均可免费获得。此外，构建立体平版印刷设备所需的所有3D可打印文件均可用，用于打印研究中使用的每种水凝胶的设计文件也均可用。
米勒说：“提供水凝胶设计文件将使其他人可以在这里探索我们的工作，即使他们利用了当今尚不存在的某些未来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甚至更复杂的结构。
他说：“我们只是探索人体中发现的体系结构的开始。”“我们还有很多东西要学习。”
