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■本报记者 李惠钰

生产功能性组织替代物最大的障碍之一,就是无法制造出复杂的脉管系统,从而将营养物质运送至人体组织中。

近日,美国多所大学组成的研究团队在《科学》杂志上发表最新研究成果。他们开发出一种新型生物3d打印技术,可快速生成有复杂内部结构的生物相容性水凝胶,用来模仿人体气管和血管等脉管系统,为未来人造功能性器官扫除一个重要的技术障碍。

3d打印刚刚进入公众视野时,有人认为这种技术只是一种噱头,打印出来的东西看起来并不高级。但经过不断迭代升级,3d打印已经打破这种偏见。特别是在医学领域,这种技术有望为器官移植格局带来革命性的变化。

人造器官的一大突破

人体器官中包含独立的脉管网络,例如,肺中的气管和血管以及肝脏中的胆管和血管,这些相互渗透的网络在物理上和生物化学上是相互缠绕的,结构本身与组织功能密切相关。

为了应对多血管化这一挑战,科学家使用了一种全新的3d打印技术,该技术的核心被称为“组织工程立体光刻仪”的设备和相应的蓝光吸收剂。该系统应用增材制造原理,在水凝胶预溶液中添加了蓝光吸收剂,使得吸收蓝光后凝固的水凝胶被限定在非常精细的一层中。

首先,按照电脑设计,他们会将一个三维的复杂结构分解为多层二维打印的蓝图;其次,他们使用一种液体的水凝胶溶液按蓝图进行打印,并通过特殊的蓝光将其逐层固化。这样一层一层堆积起来,就有了一个三维的凝胶结构。研究人员称,这些打印出的结构性质柔软、生物可兼容,且内部有着精细的结构(分辨率达10~50微米)。

在多种模型里,研究人员验证了这一3d打印系统的可行性。他们发现,这一打印的“血管结构”本身具有足够的硬度,不会因为血液流动而破裂。此外,还能承受对吸气和呼气的模拟。在测试中,研究人员欣喜地发现,当红细胞从这一系统打印出的“血管”中流过时,能够有效从呼吸的“肺部”中获取氧气,这与肺泡附近的氧气交换如出一辙。

更关键的是,该系统可以在几分钟内生成具有复杂内部结构的生物相容性水凝胶。这使科学家们能够创造出复杂的脉管网络,模拟人体血液、空气和淋巴等物质的自然通道。

参与此项研究的美国华盛顿大学教授凯莉·史蒂文斯表示,“这项工作能让我们更好地了解,如果打印的组织能像健康组织一样‘呼吸’,它们在功能上是否也会更接近健康组织。这是一个重要的问题。生物打印的组织能多有效,直接影响了它能否成功成为一种疗法。”

中国科学院物理研究所研究员刘雳宇评价道,这一技术最核心的突破在于对脉管等人体组织结构和功能的仿生。该技术不仅可以精确打印出与体内真实器官相仿的各种复杂的脉管网络结构,且这一结构具有很好的力学支撑作用、弹性性能以及可以实现氧气的交换和营养物质的传递,从而为创建功能性组织器官替代物提供了可能。

植入人体仍面临挑战

刘雳宇告诉《中国科学报》,就目前来看,打印复杂脉管网络结构的主要难点在于,一是如何绘制出3d生物打印所需的细胞级精度的“生物图纸”;二是如何将复杂的“生物图纸”高精度地打印为实体模型;三是所用的3d生物打印材料应当具备一定的力学支撑性、弹性、通透性以及良好的生物兼容性。四是最具有挑战性的,就是打印的结构要具有稳定、长期的功能性,这是模拟器官成功与否的最关键指标。

“当前,采用3d生物打印技术打印的血管与真实血管在组成的多样性、结构的复杂性、功能的完备性等方面还存在许多不同,这也使得3d打印器官在耐用性、耐损性、免疫排斥性、功能仿生性等方面可能存在一些潜在的安全隐患。”刘雳宇指出。

对于美国这项最新研究,科研人员也坦言,他们接下来面临的挑战就是,必须确保生物打印的组织是可植入的,并在体内长时间保持活力。尽管如此,研究人员仍然相信这一挑战和其他挑战将在不久的将来得到解决。

“我们目前正在进一步优化参数和生物材料,我们的目标是创造具有足够机械稳定性的管状结构,以维持身体所需。”凯莉·史蒂文斯说。

在刘雳宇看来,3d打印技术要想在未来30至50年实现人造功能性器官的替代,仍需医学、信息学、工程学、生物学、材料学、物理学等相关领域的研究人员携手并进,共同攻克一系列复杂技术在整合过程中可能遇到的技术难题。

对于我国来说,3d生物打印技术方兴未艾,3d生物打印核心技术、3d生物打印设备和3d生物云计算平台等正处于蓬勃发展阶段,在相关科研团队的努力下,已经实现了人工血管、人体骨骼、体内支架等模型的3d打印。但是,刘雳宇也坦言,我国在打印精度、复杂程度以及功能仿生等方面与国际领先水平还存在一定的差距。

“虽然器官3d打印如同是技术界的珠穆朗玛峰,但考虑该技术的突破将为人类带来不可想象的生活乃至生命品质的改变,因此尽管挑战巨大,也是非常值得全世界的科研工作者向这个方向持之以恒努力的。”刘雳宇说。

《中国科学报》 (2019-05-27 第5版 医药健康)

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