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逐級懸浮3D打印制造含可灌注血管的心臟模型

科研前沿
2024
03/04
09:40
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供稿人:武文澤、高琳
供稿單位:西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
來源:中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)(3D打印)分會(huì)


在體外按需創(chuàng)建功能性組織和器官是生物制造的主要目標(biāo),但現(xiàn)有生物3D打印技術(shù)仍然難以同時(shí)構(gòu)建器官的復(fù)雜宏觀外部幾何形狀和其內(nèi)部微觀精細(xì)結(jié)構(gòu)(如血管)。

針對這一問題,清華大學(xué)機(jī)械系熊卓團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種逐級懸浮3D打印技術(shù),這種技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)具有復(fù)雜外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部血管網(wǎng)絡(luò)的組織器官快速構(gòu)建;谶@一技術(shù),熊卓團(tuán)隊(duì)成功打印了含可灌注血管網(wǎng)絡(luò)的心室模型,為復(fù)雜器官的體外打印構(gòu)建提供了新的解決思路。

逐級懸浮3D打印技術(shù)具體的制造過程如下(圖1):第一級打印,在懸浮介質(zhì)中打印生物墨水,獲得組織和器官的復(fù)雜外部宏觀結(jié)構(gòu);第二級打印,將犧牲墨水打印到初次打印但未交聯(lián)的結(jié)構(gòu)中,獲得自由形態(tài)的血管網(wǎng)絡(luò);原位交聯(lián)使打印結(jié)構(gòu)定型,同時(shí)通過去除懸浮介質(zhì)和犧牲墨水獲得含自由血管網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜器官。


圖1 逐級懸浮打印過程示意圖

然后研究者們創(chuàng)建了一個(gè)簡化的心室模型進(jìn)行打印(圖2),整個(gè)模型直徑約為2厘米,壁厚約為4毫米,心室模型中間表面有分層血管網(wǎng)絡(luò)。在使用生物墨水首次打印心室結(jié)構(gòu)后,繼續(xù)打印含有紅色染料的明膠墨水以產(chǎn)生血管網(wǎng)絡(luò)。在第二個(gè)打印階段,通過控制掃描時(shí)間或以恒定打印速度改變擠出速率來調(diào)整每個(gè)分支的直徑。由此成功打印了嵌入分層血管網(wǎng)絡(luò)的心室結(jié)構(gòu)。去除懸浮介質(zhì)和犧牲墨水后,可以通過與注射泵連接反復(fù)灌注心室內(nèi)的整個(gè)分層血管網(wǎng)絡(luò)。


圖2 逐級懸浮打印制造的可灌注心室結(jié)構(gòu)

參考文獻(xiàn):
FANG Y, GUO Y, WU B, et al. Expanding Embedded 3D Bioprinting Capability for Engineering Complex Organs with Freeform Vascular Networks [J]. Adv Mater, 2023, e2205082.



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