科學(xué)家 3D打印出會“呼吸”的肺

目前我國器官捐獻(xiàn)與移植規(guī)模總體上居全球第 2 位，但肝腎供體短缺問題嚴(yán)峻。人體肝臟的功能有 500 多種之多，這樣的復(fù)雜性意味著目前尚沒有人造物可以替代。

不過，未來的生物打印器官有望實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。如果打印的組織能像健康組織一樣“呼吸”，它們在功能上是否也更接近健康組織，將直接影響它能否順利成為一種治療手段。

眾望所盼的 3D 打印技術(shù)能解決這個(gè)問題嗎？

5 月 4 日，《科學(xué)》雜志封面報(bào)道，美國萊斯大學(xué)與華盛頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)帶來一項(xiàng)具有里程碑意義的發(fā)明：一個(gè)由水凝膠 3D 打印而成的肺模型，它具有與人體血管、氣管結(jié)構(gòu)相同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠像肺部一樣朝周圍的血管輸送氧氣，完成“呼吸”過程。從外形來看，這個(gè)人造器官還沒有一枚硬幣大。

要想 3D 打印出有效的肺模型，研究人員首先需要了解人類器官的結(jié)構(gòu)是怎樣的，以及這種結(jié)構(gòu)上的不同功能是如何形成的。

美國萊斯大學(xué)生物工程系助理教授 Jordan Miller 解釋，他們主要在做的是如何用凝膠制造活組織和活細(xì)胞。

在肺部，有氣管以及環(huán)繞著的血流，最小的血管直徑只有 300 微米，我們現(xiàn)在能看到的是血管的膨脹實(shí)際上在輔助推動(dòng)環(huán)繞周遭的血管中的血液混合，人類的肺部也可能是這樣。

萊斯大學(xué)生物工程系研究生 Bagart Grigoryan 表示，這一領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)是制造較大的活組織塊，并且保證它又可存活的、運(yùn)轉(zhuǎn)正常的細(xì)胞，制造這種活組織塊非常容易，但確保這種活組織內(nèi)細(xì)胞的可存活性以及功能性是個(gè)挑戰(zhàn)。想到日后有可能制造出可植入人體的組織，這讓他們非常激動(dòng)。

制造活組織的最大挑戰(zhàn)之一是搞清楚如何使氧氣和營養(yǎng)成分輸送到組織內(nèi)以及如何將里面的廢物排出，人類的身體通過血液循環(huán)來實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程。但實(shí)際上，在軟組織中植入血管且保證細(xì)胞可存活非常難，這在過去幾十年一直是 3D 打印器官領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)。

網(wǎng)友@我藥你笑 也解釋了為什么說 3D 打印是突破了 3D 打印器官的天塹難題。由于肺部同時(shí)擁有氣道和血管，它認(rèn)為需要解決三個(gè)難題：1、如何使打印的器官模擬肺功能的氣囊，自由交換氧氣。2、如何使打印出的血管可以為組織輸送氧氣成分。3、在 3D 打印器官的過程中如何兼顧多種不同的管道系統(tǒng)。

圖1 具有功能性血管內(nèi)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的整體水凝膠（Monolithic hydrogels）

在《Multivascular networks and functional intravascular topologies within biocompatible hydrogels》（生物相容性水凝膠內(nèi)的多種血管網(wǎng)絡(luò)和功能性血管內(nèi)拓?fù)洌┮晃闹?，研究人員詳細(xì)介紹了他們的研究成果。

研究人員解釋，固體器官通過在生物物理和生物化學(xué)上相互糾纏的獨(dú)特的血管網(wǎng)絡(luò)輸送液體，形成了復(fù)雜的三維（3D）輸送體系，但該方案目前仍難以進(jìn)行生產(chǎn)和研究。他們則利用食品染料添加劑，作為用于投影立體光刻的生物相容但有效的光吸收劑，建立了可光聚合水凝膠的血管內(nèi)和多血管設(shè)計(jì)自由。

在實(shí)驗(yàn)中，他們展示了在幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生整體透明水凝膠（monolithic transparent hydrogels），包括有效的血管內(nèi)3D流體混合器和功能性二尖瓣（functional bicuspid valves）。他們還進(jìn)一步從空間填充的數(shù)學(xué)拓?fù)渲嘘U述了糾纏血管網(wǎng)絡(luò)，并探討了潮氣通氣和近端氣道擴(kuò)張過程中人體紅細(xì)胞的氧合和流動(dòng)。

圖2 糾纏的血管網(wǎng)絡(luò)

圖3 具有血管化肺泡模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的水凝膠的潮氣通氣和氧合作用（Tidal ventilation and oxygenation）

最后，他們還在慢性肝損傷的嚙齒動(dòng)物中放置了結(jié)構(gòu)性可生物降解的水凝膠載體，以強(qiáng)調(diào)這種材料的潛在轉(zhuǎn)化用途。

圖4 功能性肝的水凝膠載體的植入

在打印的肝臟組織中，研究人員們植入了原代肝細(xì)胞，并將它們放入了帶有慢性肝損傷的小鼠體內(nèi)。研究表明，這些肝細(xì)胞也能在體內(nèi)生存，打造的血管能有效為這些細(xì)胞輸送養(yǎng)分。

想象一下，你自己的肺和心臟，以及其他一切處于運(yùn)轉(zhuǎn)當(dāng)中的器官組織，研究人員認(rèn)為，探索 3D 打印器官，比如瓣膜、模仿肺部功能的組織對生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域來說極其重要。不過，研究人員的態(tài)度是謹(jǐn)慎而樂觀的，在探索人類內(nèi)部器官構(gòu)造方面這才剛剛開始，還有很多要去了解和學(xué)習(xí)的知識。