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3D打印制造“能用的”人体器官:青春梦里人

  • 来源:青年报
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  • 2016-04-07
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摘要:周培骏 制图 从世界上第一台商用3D打印机的诞生到现在已经过了30年,随着技术的进步,3D打印机也和人们的生活联系越来越紧密。近日, 美国 北卡罗来纳州维克森林大学医学院的科学家开发出一种改进版的3D生物打印机青春梦里人最新动态及资讯。

近日,在美国举办的大学发明家竞赛( CollegiateInventorsCompetition )上,来自宾西法尼亚大学团队带来的“ eye-on-a-chip (芯片上的眼睛)”技术引起了大量的关注,尽管该比赛的一等奖被哈佛的 3D 生物打印血管

周培骏 制图

     从世界上第一台商用3D打印机的诞生到现在已经过了30年,随着技术的进步,3D打印机也和人们的生活联系越来越紧密。近日,美国北卡罗来纳州维克森林大学医学院的科学家开发出一种改进版的3D生物打印机。这款3D打印机通过使用可降解的塑料状材料,首次打印出了在强度和尺寸上都满足临床需要的人体活细胞组织。这就是说,3D生物打印机终于可以制造“能用的”人体器官“零件”了。

以往“3D器官”未能移植存活

     利用3D打印技术制造器官和组织早就不是新鲜事了,在2010年,美国Organavo公司就研制出了以生成具有功能性的组织和器官为目标、可以把细胞按分层图样打印的 3D 生物打印机,并用该技术制作出了可供药物测试用的肾组织。而在去年,澳大利亚的研究人员甚至做出了3D打印的脑组织。

然而,囿于规模、结构和细胞存活时间方面的限制,大部分这样的打印产物只存在于实验室中,而未能真正作为可用的器官进行移植。

不过就在近日,在《自然-生物技术》杂志发表的论文中,维克森林大学安东尼·阿塔拉课题组宣布,他们把3D打印出的组织移植到生物体内,并且证明了这些从打印机里诞生的组织能够像正常组织一样存活并生长。

新3D器官有“空腔”供血管穿过

在设计好模型图纸并开始3D打印之后,细胞会像普通3D打印中的塑料一样,一层一层地“垒”出设定好的形状。但这里面有个问题:细胞可没有塑料那么听话,把它们堆起来不加约束的话,细胞可是会散开的。在生物打印过程中,一种叫做聚已内酯的化合物是解决这一问题的关键。它可以发挥支架的作用,承载细胞维持器官或组织的形状。而在数年过后,它会被生物降解,不产生毒性。

而器官或组织打印需要面临的另一个问题,在于如何在这些组织的内部设计“空腔”——聚已内酯固然可以使得细胞有序地堆叠在一起,但如果没有内部的空腔,这些细胞便活不了多久。

在正常组织中,血管会交织在器官内部输送养分。可许多打印出来的组织缺乏血管,移植后难以存活到能与移植受体“融为一体”。研究者意识到,如果希望3D打印出来的组织能够长久地存活,留出供血管穿过的空间是极为重要的。

阿塔拉研究小组的成员利用水凝胶解决了这一问题。这些水凝胶结构能够以固体的形态作为支架的作用,当细胞形成稳定的结构后,它们就会被降解代谢。这样,原先它们存在的位置,就成了可供血管伸展和发育的“空腔”。利用这一思路,原本因营养物质输送问题而受限的打印组织大小问题也得以克服了。

从骨头到肌肉移植了都能长

那么,这样的系统好不好用呢?测试一个东西的可靠性一般要从简单的东西开始。这一打印机的首个“作品”是维克森林大学再生医学研究院的首字母缩写“WFIRM”,在这个作品中,细胞“墨水”是被绿色和红色荧光蛋白标记的细胞。在实验中,研究人员成功得到了相应形状的字母,而这样输出的细胞能够在体外正常生长。这意味着,所有的“材料”都是可用的。

后续的研究表明,无论是2D还是3D结构,打印出来的部件在体外都能够正常运作。那么,体内呢?利用相同的技术,研究人员利用人羊水干细胞打印出一块圆形的下颌骨,并将它放在裸鼠体内。在五个月后,他们发现,这些人造骨内部形成了和正常骨组织一样的导管结构,证明它具备在体内存活生长的能力。

能够维持固定的形状,并且能在体内进一步成熟,这是一个好的开始。不过,组织或者器官可不是简单的形状,它们必须还有类似的功能。再往后,阿塔拉研究组利用同样的技术打印了小鼠的肌纤维,并将之移植到小鼠体内。两周后,研究人员发现,这些肌肉在形成完好的肌纤维结构的同时,也具备了相应的神经受体。这些受体能够响应电刺激,并使肌纤维发挥功能。可见,这些人造组织不但好看,也是好用的。

微管道技术可输送养分与氧气

同时,研究团队还采用了微管道技术,使得养分和氧气可被输送到植入物所有的细胞中,从而制作出了足够大的活体组织,解决了临床上尺寸的问题。由于这项研究有军方赞助的背景,他们主要的目的可能是帮助那些在战场上受伤的美国士兵。

因此,研究团队还测试了如何按照不同个体需求定制打印不同形状的植入物。他们使用了临床成像技术来生成缺损组织的三维电脑模型,并由此引导打印机的喷嘴对细胞进行分配,这大大拓展了该生物打印机的使用范围。

对于再生医学来说,能够使用3D打印产品进行治疗是不折不扣的好消息。利用来自受体的细胞培育的组织不具有排异性,3D打印的成本也并不太高。虽然研究团队还没有在人体上进行过试验,但由于他们的研究已经扫清了强度、尺寸甚至于个性化定制问题等多个技术障碍,算是在这个研究领域前进了一大步。

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  • 编辑:梦雪
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