生物工程師已經克服了3D列印替代器官道路上的一個主要障礙，這是一項組織生物清洗的突破性技術。
這項新發明使科學家能夠創造出複雜的血管網路，模擬人體血液、空氣、淋巴和其他重要液體的自然通道。
這項研究被刊登在本周出版的「.」雜誌的封面上。科學。它包括一個視覺上驚人的原理證明-一種模擬肺部的空氣囊的水凝膠模型，在這種模型中，空氣通道向周圍的血管輸送氧氣。還報導了將含有肝細胞的生物培養物植入小鼠體內的實驗。
這項研究由賴斯大學的生物工程師喬丹·米勒和華盛頓大學的凱利·史蒂文斯領導，其中包括來自馬薩諸塞州薩默維爾的賴斯、UW、杜克大學、羅文大學和神經系統設計公司的15名合作者。
賴斯布朗工程學院(Rice『s Brown School of Engineering)生物工程助理教授米勒(Miller)說，「產生功能性組織替代物的最大障礙之一是，我們無法列印出能夠為人口稠密的組織提供營養的複雜血管。」「此外，我們的器官實際上包含獨立的血管網路-比如肺的氣道和血管，或肝臟中的膽管和血管。這些互穿網路在物理上和生物化學上糾纏在一起，其結構本身與組織功能密切相關。我們的生物清洗技術是第一種以直接和全面的方式應對多血管化挑戰的生物清洗技術。」
聯合大學工程學院(UW College Of Engineering)生物工程助理教授、UW醫學院病理學助理教授、UW乾細胞和再生醫學研究所(UW Medicine Institute For Stem Cell And Regeneration Medicine)的研究員史蒂文斯(Stevens)表示，多血管化很重要，因為形態和功能往往是相輔相成的。
史蒂文斯說：「組織工程已經為這一問題奮鬥了一代人。」「通過這項工作，我們現在可以更好地問，『如果我們能列印出看上去甚至呼吸更像我們體內健康組織的組織，那麼它們在功能上也會更像這些組織嗎？』這是一個重要的問題，因為生物去皮組織的功能是否會影響它作為一種治療的成功程度。」
生物清洗健康的功能性器官的目標是由器官移植的需要驅動的。僅在美國，就有超過10萬人在等待移植，而那些最終接受捐贈器官的人仍然面臨著終生的免疫抑製藥物來防止器官排斥。在過去的十年裡，生物清洗引起了人們的強烈興趣，因為從理論上講，它可以通過允許醫生從病人自己的細胞中列印替換器官來解決這兩個問題。有一天，功能器官的供應可以用於治療全世界數以百萬計的病人。
米勒說：「我們設想，在未來20年裡，生物漂洗將成為醫學的一個主要組成部分。」
史蒂文斯說：「肝臟特別有趣，因為它具有令人難以置信的500個功能，很可能僅次於大腦。」「肝臟的複雜性意味著，目前沒有任何機器或療法能夠在肝臟失效時取代其所有功能。有一天，生物沖洗的人體器官可能會提供這種治療。」
為了應對這一挑戰，該團隊發明了一種新的開源生物清洗技術，稱為「組織工程立體光刻設備」。該系統採用添加劑製造，一次生產一層軟水凝膠。
層是從液體前水凝膠溶液列印出來的，當暴露在藍光下時會變成固體。一台數字光處理投影儀從下方照射光線，以高解析度顯示結構的連續二維切片，像素大小從10-50微米不等。隨著每一層依次凝固，頭頂上的一隻手臂將不斷增長的3D凝膠舉高，足以將液體暴露到投影儀的下一張圖像中。米勒和萊斯研究生、這項研究的主要共同作者巴格拉特·格裡戈裡揚的關鍵洞見是添加了吸收藍光的食物染料。這些光吸收器將凝固過程限制在一個非常精細的層上。通過這種方式，該系統可以在幾分鐘內生產出柔軟的、基於水的、具有複雜內部結構的生物相容性凝膠。
模擬肺結構的測試表明，這些組織足夠堅固，可以避免在血液流動和脈動「呼吸」時爆裂，這是一種模擬人類呼吸壓力和頻率的有節奏的進氣和流出。測試發現，紅細胞通過「呼吸」氣囊周圍的血管網路時可以吸收氧氣。這種氧的運動類似於發生在肺泡氣囊中的氣體交換。
設計研究中最複雜的模擬肺結構。科學米勒與共同作者傑西卡羅森克蘭茲和傑西路易斯羅森伯格合作，共同創建者神經系統。
Rosenkrantz說：「當我們創建神經系統的時候，它的目標是將自然的演算法應用到設計產品的新方法中。」「我們從未想過會有機會把它帶回來，設計出活生生的組織。」
在肝臟疾病治療植入物的試驗中，研究小組3D列印組織，將其裝入原代肝細胞並植入小鼠體內。這些組織有不同的血管和肝細胞間隔，並植入慢性肝損傷小鼠體內。實驗表明，移植後的肝細胞存活。
米勒說，新的生物沖洗系統也可以產生血管內特徵，如雙管閥，允許流體隻向一個方向流動。在人類身上，血管內瓣膜存在於心臟、腿部靜脈和補充網路中，比如沒有泵驅動流量的淋巴系統。
米勒說：「隨著多血管和血管內結構的增加，我們正在為工程活組織引入一套廣泛的設計自由。」「我們現在可以自由地建造許多在人體中發現的複雜結構。」
米勒和格裡高利安正在通過位於休斯頓的一家名為Volu測的初創公司將這項研究的關鍵方面商業化。該公司已加入該公司的全職，正在設計和製造生物感應器和生物墨水。
米勒是開放源碼3d列印的長期擁護者，他說所有的數據都來自已發表的實驗。科學學習是免費的。此外，建立立體印刷設備所需的所有3D可列印文件以及用於列印本研究中使用的每一種水凝膠的設計文件都是可用的。
米勒說：「讓水凝膠設計文件可以讓其他人在這裡探索我們的努力，即使他們利用了一些今天不存在的未來3D列印技術。」
米勒說，他的實驗室已經在使用新的設計和生物清洗技術來探索更複雜的結構。
他說：「我們對人體內發現的建築的探索才剛剛開始。」「我們還有很多東西要學。」
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