相比别的修理工,医生修起人来可是要难上不少。且不说人体的复杂性,单就没有备用“零件”这一点,就足以让人了。

相比别的修理工,医生修起人来可是要难上不少。且不说人体的复杂性,单就没有备用“零件”这一点,就足以让人了。

目前的器官移植别人捐献的器官,受排异反应和供体来源的限制,难以广泛应用。而通过组织工程人造器官,看起来很美好,现实却很,特别是心肝脾肺肾这样的实体器官,光长出相应的细胞还不算完,得有正确的结构才能行使它们的正常功能。

近日,莱斯大学的Bagrat Grigoryan、Kelly Stevens和Jordan Miller等,通过三维光刻技术,使用生物相容的水凝胶,3D打印了一个包含血管和气道的肺脏模型,在其中实现了血液的氧合;还构建了一小块肝脏,移植到小鼠体内后成功存活。相关研究获得Science封面推荐[1]。

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通过组织工程再生器官,哪里坏了换哪里,可以说是人们在医学上的一个,甚至有人幻想通过不断的更换器官,使人体成为一条忒休斯之船,达到永生。而近些年的3D打印技术,更是为通过组织工程制造器官打开了一扇大门,像组织工程的耳廓软骨,就已经从小鼠走向临床,用于修复小耳畸形患者的外耳[2]。

不过外耳软骨毕竟没有什么复杂的结构。此前成功产生下一代的3D打印,也只是打印了个支架把放进去,其中供血的血管还是植入后由宿主生成的。这样的技术要想拿来生成实体器官,差的还是不少的。

实体器官的功能,离不开其中复杂的空间结构,比如心脏的两房两室4个瓣膜、肝脏的肝小叶、脾中的脾索和脾血窦、肺中交织在一起的血管和气道、肾脏的肾单位,乃至血管中定向开启的瓣膜,都是这些器官发挥功能必不可少的结构。

心肺的血管铸形心肺的血管铸形

 

为了制作出这些复杂的结构,研究人员选择了三维光刻技术,通过光照使光敏树脂局部聚合,打印出特定的结构。相比逐点打印的传统喷墨式3D打印,三维光刻可以同时处理几百万个体素,再辅以柠檬黄遮光,打印的效率和精度都大幅提高了。

光说不练假把式,研究人员先用三维光刻打印了一小段带瓣膜的血管,小试牛刀一下。

血流顺着瓣膜单向流动,初步的尝试成功了,来给自己鼓个掌!血流顺着瓣膜单向流动,初步的尝试成功了,来给自己鼓个掌!

接下来就要挑战一下更高的难度了。肺脏中有血管和气道这两套互相纠缠在一起,又不互通的管道,三维光刻能完成吗?

再往里灌上不同颜色的<big data-e=看看互不互通。">再往里灌上不同颜色的看看互不互通。
两套不互通的管道看来是没问题,接下来就是氧合了。两套不互通的管道看来是没问题,接下来就是氧合了。

色的无氧血液流进去,鲜红色的富氧血液来。不过肺里面完成气体交换的可不是这么一根管子,是肺泡和周围的毛细血管网。

这样的肺泡再多组装几个就是个肺脏了。这样的肺泡再多组装几个就是个肺脏了。

除了肺,研究人员还尝试制作了一小块肝。水凝胶包裹的肝细胞中白蛋白启动子的活性比单细胞状态高出了60倍!同时由于总粒径超过了组织工程三维光刻仪的体素大小,研究人员还构建了一个更为高级的载体,把这些被水凝胶包裹的肝细胞附着在天然的纤维蛋白上,其间也留有作为血管的空隙。

随后,研究人员向空隙中种入了人脐静脉内皮细胞,然后将这一小块“肝脏”植入了慢性肝损伤的小鼠体内。14天后,这些植入的“肝脏”中依然可以检测到活跃的白蛋白启动子,其中的肝细胞成功存活!

论文共同通讯作者Stevens教授表示:“组织工程学在这方面已经挣扎了一代人的时间。有了这项研究,我们现在可以更好地问,‘如果我们能打印出看起来甚至呼吸起来更像我们身体健康组织的组织,那么它们的功能是否也会更像那些组织?’这是一个重要的问题,因为组织功能的好坏将会影响它作为一种治疗方法的成功程度。”

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