近日，以加州大學(xué)圣地亞哥分校陳少晨(音)教授為首的納米工程研究團(tuán)隊(duì)解決了生物組織工程中最大的挑戰(zhàn)：制造出可為組織和器官供血的逼真的血管，用于輸送營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、代謝產(chǎn)物和其它生物材料，為器官安全植入體內(nèi)打下重要基礎(chǔ)。這項(xiàng)研究近日發(fā)表在《生物材料》期刊上。

加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程學(xué)教授陳少晨

此前，已經(jīng)有其他實(shí)驗(yàn)室的研究人員使用不同的3D打印技術(shù)制造人工血管，但利用這些技術(shù)打印速度慢、價(jià)格昂貴，而且只能生產(chǎn)單一血管這樣的簡(jiǎn)單的生物結(jié)構(gòu)，這些打印的血管還不能與人體自身的血管系統(tǒng)兼容。

“幾乎所有的組織和器官都需要血管供血才能正常生存和工作。這是在器官移植的一大瓶頸，需求量大，但供應(yīng)不足，” 陳少晨說，“3D生物印刷技術(shù)可以幫助解決這一難題，我們的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)朝著這一目標(biāo)邁出了重要一步。”陳教授是加州大學(xué)圣地亞哥分校納米生物材料和組織工程實(shí)驗(yàn)室主任。

陳少晨教授的實(shí)驗(yàn)室3D打印出的血管網(wǎng)絡(luò)具有很多分支血管，可以與人體自身的血液循環(huán)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)兼容整合。

陳少晨教授研究小組開發(fā)出了一種創(chuàng)新的生物打印技術(shù)，利用自制的3D打印機(jī)，快速生成復(fù)雜的三維微觀組織，可模擬生物組織的復(fù)雜的設(shè)計(jì)和功能。陳少晨教授實(shí)驗(yàn)室過去已經(jīng)利用這種技術(shù)打印出肝組織，在體內(nèi)可以檢測(cè)和清除毒素。

研究小組使用醫(yī)學(xué)影像技術(shù)創(chuàng)建了一個(gè)與動(dòng)物體內(nèi)血管網(wǎng)類似的三維生物結(jié)構(gòu)數(shù)字模型，然后利用計(jì)算機(jī)將其分解成數(shù)以百萬計(jì)的二維薄層。利用計(jì)算機(jī)控制紫外光照射到含有活細(xì)胞和光敏聚合物的溶液中，使聚合物固化，活細(xì)胞則附著在聚合物周圍，形成一層含有活細(xì)胞的二維聚合物層。通過連續(xù)掃描的形式，二維聚合物層逐層累積，逐漸形成三維固體聚合物材料封裝活細(xì)胞結(jié)構(gòu)，最終發(fā)展成生物組織。

整個(gè)過程僅需幾秒鐘。相比于其他的3D打印技術(shù)通常需要數(shù)小時(shí)來打印簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步。而且，該團(tuán)隊(duì)使用的是廉價(jià)的生物相容性材料。

基于他們研發(fā)的生物3D打印技術(shù)，研究人員印制出了一個(gè)含有血管內(nèi)壁內(nèi)皮細(xì)胞的血管結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸為4毫米×5毫米×0.6毫米。研究人員將該結(jié)構(gòu)在體外培養(yǎng)了一天，然后將產(chǎn)生的組織移植到小鼠皮膚傷口。兩周后，研究人員檢查了植入物，發(fā)現(xiàn)這些植入物已經(jīng)成功地與小鼠自身的血管網(wǎng)絡(luò)形成一體，使血液正常循環(huán)。

陳少晨指出，目前植入的血管還不完全具備天然血管的所有功能，例如交換輸送營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及廢物。”

陳少晨教授和他的研究團(tuán)隊(duì)正在致力于利用人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞建立傷病人特異性組織，從而防止移植的組織受到免疫系統(tǒng)攻擊。由于這些細(xì)胞來源于患者的皮膚細(xì)胞，研究人員不需要額外從身體內(nèi)部提取細(xì)胞來建立新的組織。團(tuán)隊(duì)的最終目標(biāo)是將這項(xiàng)成果應(yīng)推向臨床試驗(yàn)。”至少需要幾年才能達(dá)到這一目標(biāo)，”陳少晨表示。