Science 封面论文：美国科学家用水凝胶3D打印造出了会“呼吸”的人造器官

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来源：学术经纬（Global_Academia）

近日，《科学》杂志刊登了一篇具有里程碑意义的重磅论文。由美国莱斯大学（Rice University）与华盛顿大学（University of Washington）主导的一项研究克服了“3D打印器官”的一大障碍，有望为器官移植格局带来革命性的变化。凭借其重要性，该研究也荣登本期《科学》杂志封面。

Credit：DAN SAZER, JEFF FITLOW, AND JORDAN MILLER, RICE UNIVERSITY

不多说了，直接看视频吧……

视频来源：参考资料[1]

图中展示的是一个由水凝胶3D打印而成，模拟肺功能的气囊。它能够像肺部一样，朝周围的血管输送氧气。这一看似简单的功能，却曾是“3D打印器官”难以逾越的天堑。

“在制造具有功能的组织替代品时，我们面临的一大拦路虎就是无法打印那些为组织输送营养的血管，”本研究的通讯作者之一Jordan Miller教授说道：“此外，人体内的器官还有独立的管道系统，比如肺部同时拥有气道和血管，肝脏则同时拥有胆管和血管。这些互相交织的管道网络在生理和生化上相互联系，其结构与其组织功能息息相关。”如何在3D打印器官的过程中兼顾多种不同的管道系统，便成为了科学家们的研究重点。

▲整个打印的“肺部”还没有一枚硬币大（Credit：JORDAN MILLER, RICE UNIVERSITY）

为了解决这一问题，这支团队使用了一种全新的3D打印技术。首先，按照电脑设计，他们会将一个三维的复杂结构分解为多层二维打印的蓝图；其次，他们使用一种液体的水凝胶溶液按蓝图进行打印，并通过特殊的蓝光将其逐层固化。这样一层一层堆积起来，就有了一个三维的凝胶结构。研究人员们称，这些打印出的结构性质柔软，生物可兼容，且内部有着精细的结构（分辨率达10-50微米）。更关键的是，在短短几分钟内，就可以完成打印。

顺便说一个有趣的插曲。为了让凝胶能够有效吸收蓝光，方便固化，研究人员们尝试了多种方法。最终，他们的选择是一种食用色素……这来自于一名研究生的脑洞。

▲从设计到打印的全过程（图片来源：参考资料[1]）

在多种模型里，研究人员们验证了这一3D打印系统的可行性。他们发现，这一打印的“血管结构”本身具有足够的硬度，不会因为血液流动而破裂。此外，它也能承受对吸气和呼气的模拟。在测试中，研究人员们欣喜地发现，当红细胞从这一系统打印出的“血管”中流过时，能够有效从呼吸的“肺部”中获取氧气，这与肺泡附近的氧气交换如出一辙。

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，表明打造的血管能有效为这些细胞输送养分。

▲未来，更复杂的结构有望得到应用（图片来源：参考资料[1]）

“由于现有的瓶颈，组织工程在我们这一代人里进展甚微，”本研究的另一名通讯作者Kelly Stevens教授说道：“这项工作能让我们更好地了解，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会更接近健康组织。这是一个重要的问题。生物打印的组织能多有效，直接影响了它能否成功成为一种疗法。”

《科学》杂志的专文介绍中，直接将打印出的迷你器官称为“小型奇迹”。为了便于全球各地的科学家们使用这一技术，研究人员们决定将这一研究“开源”，免费分享（点击文末“阅读原文“即可访问）。他们期待，在这一技术的帮助下，人们能对3D打印器官产生更多理解，最终促进“人造器官”的加速上市，造福广大需要器官移植的患者。

参考资料：

[1] Bagrat Grigoryan et al., (2019), Multivascular networks and functional intravascular topologies within biocompatible hydrogels, Science, DOI: 10.1126/science.aav9750

[2] Organ bioprinting gets a breath of fresh air, Retrieved May 2, 2019, from 

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-05/ru-obg042619.php

[3] Small wonder, Retrieved May 2, 2019, from 

https://blogs.sciencemag.org/vis/2019/05/02/micro-vascular-system/?utm_source=general_public&utm_medium=magazine&utm_campaign=CoverStory0503-22857

原文链接：

https://science.sciencemag.org/content/sci/364/6439/458.full.pdf

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