奇跡！《科學》封面：3D打印會“呼吸”的人造器官，還沒有一枚硬幣大

來源： 學術經(jīng)緯、Science

南極熊導讀：最近，3D打印人體器官方面不斷取得進展，2019年4月份，央視報道了以色列科學家創(chuàng)造了一種血管化的人類心臟——使用3D打印機將患者的人體組織結合起來。5月份，美國科學家在《科學》雜志發(fā)表重磅論文，3D打印成功模擬肺功能。

原文：近日，《科學》雜志刊登了一篇具有里程碑意義的重磅論文。由美國萊斯大學（Rice University）與華盛頓大學（University of Washington）主導的一項研究克服了“3D打印器官”的一大障礙，有望為器官移植格局帶來革命性的變化。憑借其重要性，該研究也榮登本期《科學》雜志封面。

圖中展示的是一個由水凝膠3D打印而成，模擬肺功能的氣囊。它能夠像肺部一樣，朝周圍的血管輸送氧氣。這一看似簡單的功能，卻曾是“3D打印器官”難以逾越的天塹。

“在制造具有功能的組織替代品時，我們面臨的一大攔路虎就是無法打印那些為組織輸送營養(yǎng)的血管，”本研究的通訊作者之一Jordan Miller教授說道：“此外，人體內的器官還有獨立的管道系統(tǒng)，比如肺部同時擁有氣道和血管，肝臟則同時擁有膽管和血管。這些互相交織的管道網(wǎng)絡在生理和生化上相互聯(lián)系，其結構與其組織功能息息相關?！比绾卧?D打印器官的過程中兼顧多種不同的管道系統(tǒng)，便成為了科學家們的研究重點。

▲整個打印的“肺部”還沒有一枚硬幣大

為了解決這一問題，這支團隊使用了一種全新的3D打印技術。首先，按照電腦設計，他們會將一個三維的復雜結構分解為多層二維打印的藍圖；其次，他們使用一種液體的水凝膠溶液按藍圖進行打印，并通過特殊的藍光將其逐層固化。這樣一層一層堆積起來，就有了一個三維的凝膠結構。研究人員們稱，這些打印出的結構性質柔軟，生物可兼容，且內部有著精細的結構（分辨率達10-50微米）。更關鍵的是，在短短幾分鐘內，我們就可以完成打印。

順便說一個有趣的插曲。為了讓凝膠能夠有效吸收藍光，方便固化，研究人員們嘗試了多種方法。最終，他們的選擇是一種食用色素……這來自于一名研究生的腦洞。

▲從設計到打印的全過程

在多種模型里，研究人員們驗證了這一3D打印系統(tǒng)的可行性。他們發(fā)現(xiàn)，這一打印的“血管結構”本身具有足夠的硬度，不會因為血液流動而破裂。此外，它也能承受對吸氣和呼氣的模擬。在測試中，研究人員們欣喜地發(fā)現(xiàn)，當紅細胞從這一系統(tǒng)打印出的“血管”中流過時，能夠有效從呼吸的“肺部”中獲取氧氣，這與肺泡附近的氧氣交換如出一轍。

在打印的肝臟組織中，研究人員們植入了原代肝細胞，并將它們放入了帶有慢性肝損傷的小鼠體內。研究表明，這些肝細胞也能在體內生存，表明打造的血管能有效為這些細胞輸送養(yǎng)分。

▲未來，更復雜的結構有望得到應用

“由于現(xiàn)有的瓶頸，組織工程在我們這一代人里進展甚微，”本研究的另一名通訊作者Kelly Stevens教授說道：“這項工作能讓我們更好地了解，如果打印的組織能像健康組織一樣‘呼吸’，它們在功能上是否也會更接近健康組織。這是一個重要的問題。生物打印的組織能多有效，直接影響了它能否成功成為一種療法?！?br>
《科學》雜志的專文介紹中，直接將打印出的迷你器官稱為“小型奇跡”。為了便于全球各地的科學家們使用這一技術，研究人員們決定將這一研究“開源”。他們期待，在這一技術的幫助下，人們能對3D打印器官產(chǎn)生更多理解，最終促進“人造器官”的加速上市，造福廣大需要器官移植的患者。

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

編輯：儲舒婷

責任編輯：許琦敏