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家團隊完成的一項重磅成果，該團隊創建了一種新的開源生物打印技術，可以在幾分鐘內生產出具有復雜內部結構的柔軟、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，研究人員可以創造出模仿人體血液、空氣、淋巴液和其他重要液體復雜天然脈管系統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，精美絕倫的血管網絡不僅震撼視覺，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 打印含有復雜脈管系統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胞的生物打印構建物植入小鼠體內。



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)如果沒有脈管系統作為提供營養和排除廢物的通道，就會造成組織結構內部的活細胞很快死亡。因此，對于生物工程師來說，探索 3D 打印包含大量活細胞原型組織的方法，面臨著巨大的挑戰。


3D 打印包含復雜脈管系統的活體組織

“創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的復雜脈管系統。”本次研究的主要領導者、萊斯大學(Rice University)布朗工程學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絡，如肺部的氣管和血管，或肝臟中的膽管和血管，這些復雜的脈管網絡在物理和生化層面糾纏在一起，結構本身與組織功能密切相關。而這項研究所做的，是第一個直接和全面解決復雜脈管系統挑戰的生物打印技術。
“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。”華盛頓大學(University of Washington)生物工程和病理學系助理教授 KellyStevens 說，”肝臟的復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。”
為了應對這一挑戰，研究團隊創建了一種新的開源生物打印技術，稱為”組織工程立體光刻儀(SLATE)”。該系統使用激光增材制造技術，一次打印一層軟水凝膠。
每一層由液體預水凝膠溶液打印，當暴露于藍光時變成固體。數字光處理投影儀從下方發出光線，以像素大小從 10-50 微米不等的高分辨率顯示結構的連續二維切片。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。
這其中的關鍵是添加能夠吸收藍光的廣泛用于食品工業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的一層中。通過這種方式，該系統可以在幾分鐘內生產出具有復雜內部結構的柔軟、水性、生物相容性凝膠。
對肺部模擬結構的測試顯示，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”是一種有節奏的吸氣和呼氣，模擬了人類呼吸的壓力和頻率。測試發現，當紅細胞流經”呼吸”氣囊周圍的血管網絡時，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 | 糾纏的血管網絡(來源：Science) 為了驗證打印組織的生物兼容性，研究團隊將裝載了肝細胞的 3D 打印組織植入患有慢性肝損傷的小鼠體內，組織具有用于血管和肝細胞的獨立隔室。實驗結果顯示，肝細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進行為期 14 天的植入(來源：Jordan Miller/Rice University)


Kelly Stevens 表示，復雜的脈管系統十分重要，因為結構和功能往往相輔相成。”組織工程學在這方面已經掙扎了一代人的時間。通過這項工作，我們現在可以更進一步，如果我們能夠打印看起來更像是我們體內結構復雜的健康組織，那么它們在功能上的表現會更像那些組織嗎?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。”



探索人體器官更復雜的結構

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，為應對器官免疫排斥仍然要進行終生免疫抑制藥物的治療。

在過去的十年中，生物打印技術引起了人們極大的興趣，因為理論上它可以允許醫生通過病人自身細胞打印替代器官，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實現，那將能夠治療全球數百萬患者。

“我們預計生物打印將在未來二十年內成為醫學的重要組成部分。”Miller 說。

2015 年，Miller 和賓夕法尼亞大學外科助理教授 Pavan Atluri 領導的研究團隊使用糖、硅膠和 3D 打印機，創建了一個包含錯綜復雜血管網絡的植入物，為創建可移植的替代組織和器官奠定了基礎。



圖 | 內部包含血管網絡的 3D 打印結構體，大小和小熊軟糖差不多(來源：Jeff Fitlow/RiceUniversity)



雖然當時的這些”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的一些關鍵特征。

2016 年，Miller 領導的萊斯大學生物工程研究團隊創造性地改良商用級 CO2 激光切割機，創建了 OpenSLS 平臺，這是一種開源的選擇性激光燒結平臺，可以從粉末塑料和生物材料中打印復雜的 3D 物體。

OpenSLS 的工作原理與大多數傳統的基于擠壓的 3d 打印機不同。傳統的 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建物體，然后從連續的二維層構建三維對象。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，循環往復。由于燒結的物體完全由三維粉末支撐，這種技術能夠產生其他 3D 打印技術根本無法生產的極其復雜的結構。




2017 年，Miller 和貝勒醫學院生物物理學家 Mary Dickinson 實驗室的一個團隊展示了如何使用人體內皮細胞和間充質干細胞來啟動脈管形成的過程。研究證實了這些由”誘導多能干細胞”分化成的內皮細胞具有形成毛細管樣結構的能力，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 和萊斯大學生物工程師 Omid Veiseh 一起嘗試將細胞療法應用與先進的 3D 打印技術相結合，用于 1 型糖尿病治療。他們開發的容納胰島細胞和底層血管網絡的 3D 打印水凝膠，能夠保護植入的胰島細胞免受免疫系統影響的封裝材料，同時讓細胞生長和應對環境變化。

而在最新的這項研究中，為了設計出復雜的肺臟結構，Miller還與馬薩諸塞州一家設計公司 Nervous System 的聯合創始人 Jessica Rosenkrantz 和 Jesse Louis-Rosenberg合作。

“當初我們創立 Nervous System 時，目標是將自然界中的算法應用于設計產品的新方法，”Rosenkrantz 說。”沒想到現在我們有機會設計活組織。”




Miller 表示，新的生物打印系統也可以產生血管內特征，如只允許血液向一個方向流動的二尖瓣。在人體中，血管內瓣膜存在于心臟、腿靜脈和淋巴系統中。”通過增加多種脈管和脈管內結構，我們為工程活組織引入了一套廣泛的設計自由。”Miller 說，”我們現在可以自由地建造身體中發現的許多錯綜復雜的結構。”

研究團隊正在通過一家名為 Volumetric 的休斯頓創業公司將研究的關鍵方面商業化。Miller 的實驗室也已經在使用新的設計和生物打印技術來探索更復雜的結構。”我們對人體結構的探索才剛剛開始，我們還有很多東西需要學習。”

而一貫支持開源3D 打印技術的 Mille 也表示，發表在Science雜志上的所有實驗數據均可免費獲得。此外，用于構建立體光刻設備所需的所有 3D 打印文件，以及本次研究中打印的每個水凝膠的設計文件，均是可獲取的。

“開放水凝膠的設計文件，將允許其他人繼續探索我們的努力內容，甚至他們會使用一些今天不存在的未來 3D 打印技術。”Miller 說。