美借助“脫蠟鑄造工藝”打印出三維脈管系統(tǒng)

組織工程和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域不斷取得新進(jìn)展，人們希望有一天能用病人自己的細(xì)胞，培養(yǎng)出各種人造器官，把病壞器官替換下來(lái)；或者培養(yǎng)出動(dòng)物肌肉來(lái)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(lèi)型，但要跨越到三維，還面臨著不小的障礙。如果讓大量細(xì)胞簡(jiǎn)單地堆在一起，沒(méi)有合理的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它們很快就會(huì)死去。活器官都有復(fù)雜的三維血管網(wǎng)，而以往要在實(shí)驗(yàn)室里造出三維血管網(wǎng)幾乎是不可能的。

最近，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)和麻省理工學(xué)院研究人員聯(lián)合開(kāi)發(fā)出一種新方法，解決了組織內(nèi)部細(xì)胞的“灌溉”問(wèn)題。他們用三維打印機(jī)打印出一種絲狀網(wǎng)絡(luò)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(jié)合

脈管系統(tǒng)是組織內(nèi)部細(xì)胞運(yùn)輸營(yíng)養(yǎng)、清除廢物的通道。薄組織只有很少幾層細(xì)胞，所有細(xì)胞都能直接得到營(yíng)養(yǎng)和氧氣；如果是較厚的三維組織，沒(méi)有立體交叉通道的話，內(nèi)部活細(xì)胞無(wú)法進(jìn)行物質(zhì)氧氣交換，很快就會(huì)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(xì)胞。

最普通的技術(shù)是層狀構(gòu)造，也叫生物打?。╞ioprinting），就是先用膠質(zhì)物把細(xì)胞粘合成層狀或團(tuán)粒狀，再把每一層或每個(gè)小團(tuán)粘起來(lái)，就像搭建“樂(lè)高”玩具。這種“加法制造”模式能用各種材料造出復(fù)雜的形狀，但在用細(xì)胞做三維打印時(shí)，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(huì)在層與層之間留下結(jié)構(gòu)接縫，液體流過(guò)會(huì)產(chǎn)生壓力，可能導(dǎo)致接縫開(kāi)裂。更重要的是，許多有用的細(xì)胞型，如肝臟細(xì)胞，在直接打印的三維結(jié)構(gòu)中無(wú)法存活。

圍繞這些問(wèn)題，賓夕法尼亞大學(xué)克里斯托弗·陳和同事改進(jìn)了內(nèi)部打印過(guò)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?cè)O(shè)計(jì)出一種獨(dú)立式三維絲狀網(wǎng)絡(luò)，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(xì)胞并形成了內(nèi)部穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)管道時(shí)，能自行去除。

“有時(shí)，最有效的方法是返回到基礎(chǔ)。” 賓夕法尼亞大學(xué)博士后喬丹·米勒說(shuō)：“這一方法的最初靈感來(lái)自參觀‘人體世界展’，這里有獨(dú)立式澆鑄工藝制作的整個(gè)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(shù)，還必須開(kāi)發(fā)出一種新材料：既要足夠堅(jiān)硬，用作圓柱形的三維網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框架，還要易溶于水，對(duì)細(xì)胞沒(méi)有毒副作用，而且還要能和三維打印機(jī)兼容，這樣研究人員才能制定出整個(gè)脈管網(wǎng)絡(luò)的等級(jí)順序。在打印更大更復(fù)雜三維組織時(shí)，這比層層粘合的生物打印方法更快。

經(jīng)過(guò)多次測(cè)試后，研究小組發(fā)現(xiàn)了一種性質(zhì)完全符合需要的材料，就是糖。糖具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，并以纖維素的形式構(gòu)成了地球上大部分的有機(jī)生物質(zhì)，但這種材料通常只作為添加劑和幫助細(xì)胞生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)溶液。

“我們測(cè)試了多種不同分子式的糖，直到各方面屬性都達(dá)到最理想。”米勒說(shuō)，“因?yàn)榇饲斑€沒(méi)有一種膠能適用于所有類(lèi)型的工程組織。”

研究人員設(shè)計(jì)的新型糖，是將蔗糖、葡萄糖和右旋糖苷結(jié)合起來(lái)成為一種加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。打印程序是一種叫做RepRap的開(kāi)源三維打印機(jī)程序，附帶專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的擠壓和控制軟件。

用這種糖打印出模具以后，在固定過(guò)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(huì)讓糖模溶化，通過(guò)它們生成的孔道流出膠體，不會(huì)遏制膠液的凝固或損害附近的生長(zhǎng)細(xì)胞。當(dāng)糖被去除以后，就留下了網(wǎng)狀的脈管結(jié)構(gòu)。研究人員可以在其中注入營(yíng)養(yǎng)液，細(xì)胞就可以從中獲得營(yíng)養(yǎng)和氧氣，就像天然組織中的營(yíng)養(yǎng)和氧氣交換。

溫和迅速的細(xì)胞旅程

整個(gè)過(guò)程時(shí)間很短，而且廉價(jià)，構(gòu)造多重脈管系統(tǒng)還可以在計(jì)算機(jī)上反復(fù)模擬調(diào)整。

“這是一種新的平臺(tái)技術(shù)，對(duì)細(xì)胞而言，形成組織的過(guò)程只是一次溫和而迅速的旅程。”克里斯托弗·陳說(shuō)，“因?yàn)榧?xì)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(kāi)始從脈管網(wǎng)絡(luò)中吸取營(yíng)養(yǎng)而成長(zhǎng)。”

研究人員還將人類(lèi)的血管細(xì)胞注入脈管網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)它們能自發(fā)地產(chǎn)生新的毛細(xì)血管，增加網(wǎng)絡(luò)分支，而且產(chǎn)生的大部分血管都能自然生長(zhǎng)。他們還造出了含有基本肝臟細(xì)胞的膠體，用該技術(shù)產(chǎn)生了脈管系統(tǒng)來(lái)測(cè)試肝細(xì)胞功能。通過(guò)膠體中留下的脈管網(wǎng)輸入營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)后，他們發(fā)現(xiàn)，肝細(xì)胞產(chǎn)生的白蛋白和尿素都提高了，這兩項(xiàng)是檢測(cè)肝細(xì)胞功能和健康程度的重要指標(biāo)。此外，還有其他明顯證據(jù)顯示，在“灌溉”脈管網(wǎng)周?chē)?xì)胞的存活率增加了。

“灌溉”管道的營(yíng)養(yǎng)運(yùn)輸理論模型也顯示，細(xì)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(xì)胞來(lái)改進(jìn)計(jì)算機(jī)模型，更好地設(shè)計(jì)脈管構(gòu)造。研究人員解釋說(shuō)，盡管這些工程組織肝還不具備自然肝臟的全部功能，但細(xì)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(jìn)一步研究的話，最終有可能用于實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)器官和類(lèi)器官。

研究人員還指出，對(duì)各種細(xì)胞和組織方面的應(yīng)用而言，三維打印方法是一種可升級(jí)的方法，因?yàn)樗械钠鞴倜}管系統(tǒng)都遵循著相似的構(gòu)造方式。“我們的研究是以RepRap和MakerBot技術(shù)為基礎(chǔ)的創(chuàng)新，開(kāi)源程序意味著你能自由修改它。”米勒說(shuō)，他們將繼續(xù)改進(jìn)這一技術(shù)，重新設(shè)計(jì)一種專(zhuān)用于細(xì)胞生物學(xué)、組織工程和再生醫(yī)學(xué)方面的打印機(jī)。

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