3D打印具有內(nèi)部特征、可纏繞的血管網(wǎng)

供稿人:顧恒、連芩

真實(shí)的器官包含許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)的獨(dú)立血管網(wǎng)，如肺部的氣管和血管、肝臟的膽管和血管，這種相互纏繞的結(jié)構(gòu)與組織功能密切相關(guān)，制造和研究這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)仍然是組織工程的重大挑戰(zhàn)。為了解決這個問題，美國萊斯大學(xué)聯(lián)合杜克大學(xué)在內(nèi)的多所高校團(tuán)隊使用定制的數(shù)字光處理（Digital Light Procession，DLP）設(shè)備和水凝膠，在幾分鐘內(nèi)便可打印出具有復(fù)雜內(nèi)部特征和功能的“人造組織”。

圖1 （A）血管纏繞模型（B）血管肺泡模型

如圖1所示，研究人員設(shè)計了復(fù)雜的血管纏繞模型和血管肺泡模型，該模型內(nèi)部“肺泡”結(jié)構(gòu)與周圍“血管網(wǎng)”不直接接觸。向“肺泡”部位通入氣體，控制氣體的壓力與頻率與人類正常呼吸時一致，肺部模型的測試顯示，氣體和液體可在管狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部自由順暢地流通，流通過程中結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)破裂；當(dāng)“肺泡”規(guī)律性收縮，紅細(xì)胞流經(jīng)其周圍的血管網(wǎng)絡(luò)時，發(fā)現(xiàn)紅細(xì)胞可以吸收氧氣，具有和實(shí)際肺泡的氣體交換相似的功能。

圖 2 內(nèi)部具有單向流通功能的瓣膜模型

除了可以打印復(fù)雜的纏繞結(jié)構(gòu)，研究人員利用定制的生物打印系統(tǒng)也可以打印具有內(nèi)部特征的結(jié)構(gòu)，例如只允許血液向一個方向流動的二尖瓣，如圖2所示。

為了驗證打印結(jié)構(gòu)的生物相容性和潛在的應(yīng)用價值，研究人員打印了只含肝細(xì)胞的支架和內(nèi)部具有復(fù)雜特征的肝細(xì)胞聚集物支架，植入患有慢性肝損傷的小鼠體內(nèi)。實(shí)驗結(jié)果顯示，后者與宿主組織和血液的融合程度更高；與只含有肝細(xì)胞的支架相比，肝細(xì)胞聚集物支架的白蛋白啟動子活性提高了60倍以上。利用該技術(shù)打印的復(fù)雜結(jié)構(gòu)還可以用于流體混合、血管間物質(zhì)輸送機(jī)制和宿主移植等方面的研究。

參考文獻(xiàn)：
Zongjie W , Hitendra K , Zhenlin T , et al. Multivascular networks and functional intravascular topologies within biocompatible hydrogels[J]. Science,03 May 2019:Vol.364,Issue 6439,pp.458-464
https://science.sciencemag.org/content/364/6439/458

供稿人:顧恒、連芩 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室