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科学探索:科学家利用3D打印技术快速制造出仿生血管网络

中研股份2017年3月10日讯  20世纪,没有一种医学技术像器官移植一样带给人们那么多的惊喜与希望。迄今为止,人类已经完成了除大脑之外的所有器官的移植。然而,器官移植在很长时间内一直面临一个困境。一个器官的获取,是要以另一个人器官的失去为前提的。对此,人们设想出了很多解决之道,3D生物打印的出现或将解决这一问题。

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科学探索:科学家利用3D打印技术快速制造出仿生血管网络

近日,以加州大学圣地亚哥分校陈少晨(Shaochen Chen)教授为首的纳米工程研究团队解决了生物组织工程中最大的挑战:制造出可为组织和器官供血的逼真的血管,用于输送营养物质、代谢产物和其它生物材料,为器官安全植入体内打下重要基础。这项研究近日发表在《生物材料》期刊上。

加州大学圣地亚哥分校纳米工程学教授陈少晨( Shaochen Chen )正在3D打印仿生血管网络。

此前,已经有其他实验室的研究人员使用不同的3D打印技术制造人工血管,但利用这些技术打印速度慢、价格昂贵,而且只能生产单一血管这样的简单的生物结构,这些打印的血管还不能与人体自身的血管系统兼容。

“几乎所有的组织和器官都需要血管供血才能正常生存和工作。这是在器官移植的一大瓶颈,需求量大,但供应不足,” 陈少晨说,“3D生物印刷技术可以帮助解决这一难题,我们的实验室已经朝着这一目标迈出了重要一步。”陈教授是加州大学圣地亚哥分校纳米生物材料和组织工程实验室主任。

陈少晨教授的实验室3D打印出的血管网络具有很多分支血管,可以与人体自身的血液循环网络实现兼容整合。

陈少晨教授研究小组开发出了一种创新的生物打印技术,利用自制的3D打印机,快速生成复杂的三维微观组织,可模拟生物组织的复杂的设计和功能。陈少晨教授实验室过去已经利用这种技术打印出肝组织,在体内可以检测和清除毒素。

研究小组使用医学影像技术创建了一个与动物体内血管网类似的三维生物结构数字模型,然后利用计算机将其分解成数以百万计的二维薄层。利用计算机控制紫外光照射到含有活细胞和光敏聚合物的溶液中,使聚合物固化,活细胞则附着在聚合物周围,形成一层含有活细胞的二维聚合物层。通过连续扫描的形式,二维聚合物层逐层累积,逐渐形成三维固体聚合物材料封装活细胞结构,最终发展成生物组织。

整个过程仅需几秒钟。相比于其他的3D打印技术通常需要数小时来打印简单的结构,这是一个巨大的进步。而且,该团队使用的是廉价的生物相容性材料。

基于他们研发的生物3D打印技术,研究人员印制出了一个含有血管内壁内皮细胞的血管结构,这个结构尺寸为4毫米×5毫米×0.6毫米。研究人员将该结构在体外培养了一天,然后将产生的组织移植到小鼠皮肤伤口。两周后,研究人员检查了植入物,发现这些植入物已经成功地与小鼠自身的血管网络形成一体,使血液正常循环。

陈少晨指出,目前植入的血管还不完全具备天然血管的所有功能,例如交换输送营养物质及废物。”

陈少晨教授和他的研究团队正在致力于利用人类诱导多能干细胞建立伤病人特异性组织,从而防止移植的组织受到免疫系统攻击。由于这些细胞来源于患者的皮肤细胞,研究人员不需要额外从身体内部提取细胞来建立新的组织。团队的最终目标是将这项成果应推向临床试验。”至少需要几年才能达到这一目标,”陈少晨表示。

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