3D打印具有內部特征、可纏繞的血管網(wǎng)

供稿人:顧恒、連芩

真實的器官包含許多復雜結構的獨立血管網(wǎng)，如肺部的氣管和血管、肝臟的膽管和血管，這種相互纏繞的結構與組織功能密切相關，制造和研究這些復雜的結構仍然是組織工程的重大挑戰(zhàn)。為了解決這個問題，美國萊斯大學聯(lián)合杜克大學在內的多所高校團隊使用定制的數(shù)字光處理（Digital Light Procession，DLP）設備和水凝膠，在幾分鐘內便可打印出具有復雜內部特征和功能的“人造組織”。

圖1 （A）血管纏繞模型（B）血管肺泡模型

如圖1所示，研究人員設計了復雜的血管纏繞模型和血管肺泡模型，該模型內部“肺泡”結構與周圍“血管網(wǎng)”不直接接觸。向“肺泡”部位通入氣體，控制氣體的壓力與頻率與人類正常呼吸時一致，肺部模型的測試顯示，氣體和液體可在管狀結構內部自由順暢地流通，流通過程中結構沒有出現(xiàn)破裂；當“肺泡”規(guī)律性收縮，紅細胞流經(jīng)其周圍的血管網(wǎng)絡時，發(fā)現(xiàn)紅細胞可以吸收氧氣，具有和實際肺泡的氣體交換相似的功能。

圖 2 內部具有單向流通功能的瓣膜模型

除了可以打印復雜的纏繞結構，研究人員利用定制的生物打印系統(tǒng)也可以打印具有內部特征的結構，例如只允許血液向一個方向流動的二尖瓣，如圖2所示。

為了驗證打印結構的生物相容性和潛在的應用價值，研究人員打印了只含肝細胞的支架和內部具有復雜特征的肝細胞聚集物支架，植入患有慢性肝損傷的小鼠體內。實驗結果顯示，后者與宿主組織和血液的融合程度更高；與只含有肝細胞的支架相比，肝細胞聚集物支架的白蛋白啟動子活性提高了60倍以上。利用該技術打印的復雜結構還可以用于流體混合、血管間物質輸送機制和宿主移植等方面的研究。

參考文獻：
Zongjie W , Hitendra K , Zhenlin T , et al. Multivascular networks and functional intravascular topologies within biocompatible hydrogels[J]. Science,03 May 2019:Vol.364,Issue 6439,pp.458-464
https://science.sciencemag.org/content/364/6439/458

供稿人:顧恒、連芩 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室