組織工程和再生醫(yī)學領域不斷取得新進展，人們希望有一天能用病人自己的細胞，培養(yǎng)出各種人造器官，把病壞器官替換下來；或者培養(yǎng)出動物肌肉來做牛排，而不再殺牛取排。生物工程師們已經(jīng)能在二維層面培養(yǎng)出任何一種組織類型，但要跨越到三維，還面臨著不小的障礙。如果讓大量細胞簡單地堆在一起，沒有合理的內(nèi)部結構，它們很快就會死去?；钇鞴俣加袕碗s的三維血管網(wǎng)，而以往要在實驗室里造出三維血管網(wǎng)幾乎是不可能的。

最近，美國賓夕法尼亞大學和麻省理工學院研究人員聯(lián)合開發(fā)出一種新方法，解決了組織內(nèi)部細胞的“灌溉”問題。他們用三維打印機打印出一種絲狀網(wǎng)絡模板，用這種模板能迅速造出脈管系統(tǒng)，有了脈管系統(tǒng)就能讓工程組織的功能性大大提高。

三維打印與澆鑄工藝結合

脈管系統(tǒng)是組織內(nèi)部細胞運輸營養(yǎng)、清除廢物的通道。薄組織只有很少幾層細胞，所有細胞都能直接得到營養(yǎng)和氧氣；如果是較厚的三維組織，沒有立體交叉通道的話，內(nèi)部活細胞無法進行物質氧氣交換，很快就會死掉。因此生物工程師在考慮能否借助三維打印的方式，培養(yǎng)三維形狀的大量活細胞。

最普通的技術是層狀構造，也叫生物打印（bioprinting），就是先用膠質物把細胞粘合成層狀或團粒狀，再把每一層或每個小團粘起來，就像搭建“樂高”玩具。這種“加法制造”模式能用各種材料造出復雜的形狀，但在用細胞做三維打印時，要造出脈管系統(tǒng)還有很大困難。打印制作出的中空管道，會在層與層之間留下結構接縫，液體流過會產(chǎn)生壓力，可能導致接縫開裂。更重要的是，許多有用的細胞型，如肝臟細胞，在直接打印的三維結構中無法存活。

圍繞這些問題，賓夕法尼亞大學克里斯托弗·陳和同事改進了內(nèi)部打印過程。他們不是打印出一大塊組織，在層與層之間留下孔道作脈管系統(tǒng)。他們設計出一種獨立式三維絲狀網(wǎng)絡，在模具內(nèi)部形成脈管系統(tǒng)，并利用“脫蠟鑄造工藝”，讓這種模具和脈管模板在加入了細胞并形成了內(nèi)部穩(wěn)定的網(wǎng)絡管道時，能自行去除。

“有時，最有效的方法是返回到基礎。” 賓夕法尼亞大學博士后喬丹·米勒說：“這一方法的最初靈感來自參觀‘人體世界展’，這里有獨立式澆鑄工藝制作的整個器官的脈管系統(tǒng)。”

糖制的三維脈管系統(tǒng)

要采用這種快速澆鑄技術，還必須開發(fā)出一種新材料：既要足夠堅硬，用作圓柱形的三維網(wǎng)絡系統(tǒng)框架，還要易溶于水，對細胞沒有毒副作用，而且還要能和三維打印機兼容，這樣研究人員才能制定出整個脈管網(wǎng)絡的等級順序。在打印更大更復雜三維組織時，這比層層粘合的生物打印方法更快。

經(jīng)過多次測試后，研究小組發(fā)現(xiàn)了一種性質完全符合需要的材料，就是糖。糖具有一定的機械強度，并以纖維素的形式構成了地球上大部分的有機生物質，但這種材料通常只作為添加劑和幫助細胞生長的營養(yǎng)溶液。

“我們測試了多種不同分子式的糖，直到各方面屬性都達到最理想。”米勒說，“因為此前還沒有一種膠能適用于所有類型的工程組織。”

研究人員設計的新型糖，是將蔗糖、葡萄糖和右旋糖苷結合起來成為一種加強結構。打印程序是一種叫做RepRap的開源三維打印機程序，附帶專門設計的擠壓和控制軟件。

用這種糖打印出模具以后，在固定過程中要給它涂上一薄層從玉米中提取的可降解聚合物。涂層會讓糖模溶化，通過它們生成的孔道流出膠體，不會遏制膠液的凝固或損害附近的生長細胞。當糖被去除以后，就留下了網(wǎng)狀的脈管結構。研究人員可以在其中注入營養(yǎng)液，細胞就可以從中獲得營養(yǎng)和氧氣，就像天然組織中的營養(yǎng)和氧氣交換。

溫和迅速的細胞旅程

整個過程時間很短，而且廉價，構造多重脈管系統(tǒng)還可以在計算機上反復模擬調(diào)整。

“這是一種新的平臺技術，對細胞而言，形成組織的過程只是一次溫和而迅速的旅程。”克里斯托弗·陳說，“因為細胞只是被吸入人工吸液管幾分鐘，并被注入模具一次，然后就開始從脈管網(wǎng)絡中吸取營養(yǎng)而成長。”

研究人員還將人類的血管細胞注入脈管網(wǎng)絡，發(fā)現(xiàn)它們能自發(fā)地產(chǎn)生新的毛細血管，增加網(wǎng)絡分支，而且產(chǎn)生的大部分血管都能自然生長。他們還造出了含有基本肝臟細胞的膠體，用該技術產(chǎn)生了脈管系統(tǒng)來測試肝細胞功能。通過膠體中留下的脈管網(wǎng)輸入營養(yǎng)物質后，他們發(fā)現(xiàn)，肝細胞產(chǎn)生的白蛋白和尿素都提高了，這兩項是檢測肝細胞功能和健康程度的重要指標。此外，還有其他明顯證據(jù)顯示，在“灌溉”脈管網(wǎng)周圍，細胞的存活率增加了。

“灌溉”管道的營養(yǎng)運輸理論模型也顯示，細胞生存方式和自然組織中非常相似，這讓人們有可能模擬活細胞來改進計算機模型，更好地設計脈管構造。研究人員解釋說，盡管這些工程組織肝還不具備自然肝臟的全部功能，但細胞密度已經(jīng)接近臨床需要。這表明打印的脈管系統(tǒng)還有很大潛力，進一步研究的話，最終有可能用于實驗室培養(yǎng)器官和類器官。

研究人員還指出，對各種細胞和組織方面的應用而言，三維打印方法是一種可升級的方法，因為所有的器官脈管系統(tǒng)都遵循著相似的構造方式。“我們的研究是以RepRap和MakerBot技術為基礎的創(chuàng)新，開源程序意味著你能自由修改它。”米勒說，他們將繼續(xù)改進這一技術，重新設計一種專用于細胞生物學、組織工程和再生醫(yī)學方面的打印機。

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