再生醫(yī)學的未來：使用冰3D打印技術解決創(chuàng)建自然血管網絡的復雜性

南極熊導讀：生物技術領域的進步為解決全球移植器官短缺問題開辟了新途徑。研究人員開發(fā)了一項突破性技術，用3D打印冰制作脆弱的血管網絡模型，有助于克服在實驗室中培育移植器官的復雜性。

2024年2月11日，南極熊獲悉，卡內基梅隆大學的研究人員表展示了一種新穎的組織工程技術，利用冰3D打印技術（3D-ICE）創(chuàng)建血管的新方法。這項技術使用水作為墨水，在冰結構中創(chuàng)造微米級的細節(jié)。

這項工作的一個關鍵方面涉及脫細胞過程。在這一過程中，細胞成分被去除，而細胞外基質（ECM）則被保留下來，用于組織再生。脫細胞細胞外基質（dECM）衍生的生物墨水隨后用于3D打印過程。雖然脫細胞方法具有其優(yōu)點和局限性，但它們在使用冰3D打印技術創(chuàng)建逼真血管過程中扮演著重要的角色。

3D打印的血管冰模板如左圖所示。右圖顯示一周后在模板上形成血管樣結構的細胞成像

構建人造血管模板

生物3D打印是一項利用3D打印技術將細胞、生長因子和生物材料結合的技術，具有為組織工程應用制造功能結構的潛力。然而，生物打印活細胞構建體的臨床應用面臨一些挑戰(zhàn)，其中之一是通過生物3D打印技術制造的人造器官缺乏可正常工作的血管和小管。

研究人員正在采用一種冰3D打印技術為人造靜脈和動脈制作支架。這種打印機使用水作為墨水，其工作原理是將水滴滴在冰冷的表面上，然后迅速凍結，形成不斷生長的冰雕。打印出的結構具有微米級的細節(jié)，隨后涂上明膠基材料。通過紫外線將冰融化，留下類似血管的光滑通道。研究人員已經證明，他們可以讓內皮細胞在這些通道中生長兩周，顯示實驗室培育的血管有可能捕捉到人體真實血管網絡的復雜幾何形狀。

3D打印血管模型示意

開發(fā)彈性混合氣凝膠

該領域另一個值得注意的發(fā)展是機械彈性混合氣凝膠的創(chuàng)造。

該團隊表示，目前，他們正在積極研發(fā)新型的3D打印技術，將水凝膠與纖維結合。這種獨特的組合能夠生產出具有纖維結構和單軸細胞排列的構造物，從而降低水凝膠的加工要求并改善其機械性能。他們正在探索粉末床熔融（PBF）3D打印技術，以制造復雜的、病人特異性的植入物，實現在生物醫(yī)學應用中的高精度需求。

前沿的生物3D打印技術不僅創(chuàng)新性地使用冰模制造人造血管，更預示著器官移植領域美好的未來。這些進步可能使體內器官的制造成本更低、速度更快，以滿足全球對器官移植的巨大需求。當前，該團隊正在進行重水和人工智能優(yōu)化3D打印過程的研究和實驗，進一步凸顯了這項技術在器官移植領域帶來革命性變化的潛力。

盡管仍處于早期開發(fā)階段，但這一概念驗證表明，利用3D打印技術有可能使體內器官的制造成本更低、速度更快，從而滿足全球對器官移植的大量需求。