奇跡！《科學(xué)》封面：3D打印會“呼吸”的人造器官，還沒有一枚硬幣大

來源： 學(xué)術(shù)經(jīng)緯、Science

南極熊導(dǎo)讀：最近，3D打印人體器官方面不斷取得進(jìn)展，2019年4月份，央視報(bào)道了以色列科學(xué)家創(chuàng)造了一種血管化的人類心臟——使用3D打印機(jī)將患者的人體組織結(jié)合起來。5月份，美國科學(xué)家在《科學(xué)》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(xué)》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(xué)（Rice University）與華盛頓大學(xué)（University of Washington）主導(dǎo)的一項(xiàng)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(xué)》雜志封面。

圖中展示的是一個(gè)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(shí)，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(nèi)的器官還有獨(dú)立的管道系統(tǒng)，比如肺部同時(shí)擁有氣道和血管，肝臟則同時(shí)擁有膽管和血管。這些互相交織的管道網(wǎng)絡(luò)在生理和生化上相互聯(lián)系，其結(jié)構(gòu)與其組織功能息息相關(guān)。”如何在3D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(xué)家們的研究重點(diǎn)。

▲整個(gè)打印的“肺部”還沒有一枚硬幣大

為了解決這一問題，這支團(tuán)隊(duì)使用了一種全新的3D打印技術(shù)。首先，按照電腦設(shè)計(jì)，他們會將一個(gè)三維的復(fù)雜結(jié)構(gòu)分解為多層二維打印的藍(lán)圖；其次，他們使用一種液體的水凝膠溶液按藍(lán)圖進(jìn)行打印，并通過特殊的藍(lán)光將其逐層固化。這樣一層一層堆積起來，就有了一個(gè)三維的凝膠結(jié)構(gòu)。研究人員們稱，這些打印出的結(jié)構(gòu)性質(zhì)柔軟，生物可兼容，且內(nèi)部有著精細(xì)的結(jié)構(gòu)（分辨率達(dá)10-50微米）。更關(guān)鍵的是，在短短幾分鐘內(nèi)，我們就可以完成打印。

順便說一個(gè)有趣的插曲。為了讓凝膠能夠有效吸收藍(lán)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(shè)計(jì)到打印的全過程

在多種模型里，研究人員們驗(yàn)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(jié)構(gòu)”本身具有足夠的硬度，不會因?yàn)檠�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(dāng)紅細(xì)胞從這一系統(tǒng)打印出的“血管”中流過時(shí)，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(xì)胞，并將它們放入了帶有慢性肝損傷的小鼠體內(nèi)。研究表明，這些肝細(xì)胞也能在體內(nèi)生存，表明打造的血管能有效為這些細(xì)胞輸送養(yǎng)分。

▲未來，更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)有望得到應(yīng)用

“由于現(xiàn)有的瓶頸，組織工程在我們這一代人里進(jìn)展甚微，”本研究的另一名通訊作者Kelly Stevens教授說道：“這項(xiàng)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(gè)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�！�

《科學(xué)》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(xué)家們使用這一技術(shù)，研究人員們決定將這一研究“開源”。他們期待，在這一技術(shù)的幫助下，人們能對3D打印器官產(chǎn)生更多理解，最終促進(jìn)“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(zé)任編輯：許琦敏