在研究人員展示的模擬肺泡囊水凝膠模型中，精美絕倫的血管網路不僅震撼視覺，而且證明了其中氣道可以將氧氣輸送到週圍的血管，攻克了3D列印含有複雜脈管系統功能性器官替代物的主要障礙。此外，研究人員還成功將含有肝細胞的生物列印構建物植入小鼠體內。
與 3D 列印各種奇形怪狀的物品不同，3D列印活體器官（哪怕厚度超過幾毫米的組織）如果沒有脈管系統作為提供營養和排除廢物的通道，就會造成組織結構內部的活細胞很快死亡。因此，對於生物工程師來說，探索3D列印包含大量活細胞原型組織的方法，面臨著巨大的挑戰。
3D 列印包含複雜脈管系統的活體組織
「創建功能性組織替代物的最大障礙之一，就是我們無法列印能夠為人類稠密組織提供營養的複雜脈管系統。」本次研究的主要領導者、萊斯大學（Rice University）布朗工程學院生物工程助理教授Jordan Miller 說。
我們的器官實際上包含著獨立的脈管網路，如肺部的氣管和血管，或肝臟中的膽管和血管，這些複雜的脈管網路在物理和生化層面糾纏在一起，結構本身與組織功能密切相關。而這項研究所做的，是第一個直接和全面解決複雜脈管系統挑戰的生物列印技術。
「肝臟特別有趣，因為它具有令人難以置信的500多種功能，可能僅次於大腦。」華盛頓大學（University of Washington）生物工程和病理學系助理教授 KellyStevens 說，「肝臟的複雜性意味著目前沒有任何機器或療法可以在肝臟生病時取代其所有功能。而生物列印的人體器官有朝一日可能會提供這種療法。」
為了應對這一挑戰，研究團隊創建了一種新的開源生物列印技術，稱為「組織工程立體光刻儀（SLATE）」。該系統使用鐳射增材製造技術，一次列印一層軟水凝膠。
每一層由液體預水凝膠溶液列印，當暴露於藍光時變成固體。數位光處理投影儀從下方發出光線，以圖元大小從 10－50 微米不等的高解析度顯示結構的連續二維切片。隨著每一層依次凝固，頂臂將不斷增長的3D凝膠舉起，剛好讓液體暴露在投影儀的下一幅圖像中。
這其中的關鍵是添加能夠吸收藍光的廣泛用於食品工業的生物相容性光吸收劑，這些光吸收劑將凝固限制在非常精細的一層中。通過這種方式，該系統可以在幾分鐘內生產出具有複雜內部結構的柔軟、水性、生物相容性凝膠。
對肺部類比結構的測試顯示，這些組織足夠堅固，可以避免在血液流動和脈動「呼吸」過程中破裂。脈動「呼吸」是一種有節奏的吸氣和呼氣，模擬了人類呼吸的壓力和頻率。測試發現，當紅細胞流經「呼吸」氣囊週圍血管網路時，它們可以吸收氧氣。這種氧氣的運動類似於肺泡囊中的氣體交換。
為了驗證列印組織的生物相容性，研究團隊將裝載了肝細胞的 3D 列印組織植入患有慢性肝損傷的小鼠體內，組織具有用於血管和肝細胞的獨立隔室。實驗結果顯示，肝細胞能夠在植入後存活。
Kelly Stevens 表示，複雜的脈管系統十分重要，因為結構和功能往往相輔相成。「組織工程學在這方面已經掙扎了一代人的時間。通過這項工作，我們現在可以更進一步，如果我們能夠列印看起來更像是我們體內結構複雜的健康組織，那麼它們在功能上的表現會更像那些組織嗎？這是一個重要的問題，因為生物列印組織功能的好壞，將影響它作為一種療法的成功程度。
- 本文係由DeepTech深科技授權刊登。原文連結：重磅成果！美科学家“造”出人类血管网络，3D打印可植入器官迎来大突破
