美國(guó)東北大學(xué)生物打印技術(shù)和材料取得突破，有望實(shí)現(xiàn)3D打印人體器官

2025年2月22日，南極熊獲悉，據(jù)美國(guó)東北大學(xué)報(bào)道，活體組織生物打印技術(shù)取得突破，很快將實(shí)現(xiàn)3D打印血管和人體器官。來(lái)自美國(guó)東北大學(xué)生物工程學(xué)教授戴國(guó)豪及其同事最近為一種新型彈性水凝膠材料申請(qǐng)了專(zhuān)利，新材料專(zhuān)為3D打印軟活體組織而設(shè)計(jì)。

專(zhuān)利題為Biodegradable elastic hydrogels forbioprinting，獲取鏈接：https://coe.northeastern.edu/news/patent-for-new-material-for-3d-printing-of-living-tissues/

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)利用 3D 打印技術(shù)制造顱骨板、髖關(guān)節(jié)、肢體假體和醫(yī)療器械等硬植入物。然而，戴教授表示，器官和軟組織的 3D 打印仍然是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，他的研究重點(diǎn)是 3D 生物打印、干細(xì)胞和血管生物工程。

軟組織需要能夠拉伸和回縮的彈性材料，而現(xiàn)有材料則缺乏這種彈性。戴說(shuō)：“彈性對(duì)于維持組織的正常功能非常重要?！苯鉀Q這一難題可以徹底改變醫(yī)學(xué)，并使器官移植成為過(guò)去。

照片來(lái)源：Alyssa Stone/東北大學(xué)。

水凝膠是一種能夠保持水分的合成聚合物。例如，它們可用于制作含有皮膚營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的面膜、輸送藥物的傷口敷料以及含有大量水分以提供舒適感和氧氣傳輸?shù)能浶噪[形眼鏡。戴說(shuō)，傳統(tǒng)的水凝膠太脆弱，無(wú)法進(jìn)行 3D 打印，因?yàn)樗鼈儫o(wú)法承受拉伸或扭曲——這限制了它們的醫(yī)療應(yīng)用。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，戴與德克薩斯大學(xué)阿靈頓分校的 Yi Hong 合作。Hong 找到了一種讓軟水凝膠具有彈性的方法，而戴則利用他在 3D 打印方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)一步修改了這些水凝膠的某些特性，以便它們可以通過(guò)打印機(jī)。要通過(guò)打印噴嘴，材料必須是液體，但它還必須在打印物體后保持形狀。

這種新材料可溶于液體溶液，打印后可封裝大量水分。這對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)非常有利，因?yàn)樗M了人體環(huán)境，而人體平均由 60% 的水組成。打印前，細(xì)胞被注入液體溶液中。打印完成后，物體會(huì)暴露在藍(lán)光下，從而引發(fā)光化學(xué)反應(yīng)，使凝膠具有彈性，而不會(huì)傷害活細(xì)胞。

照片來(lái)源：Matthew Modoono/東北大學(xué)

戴說(shuō)：“你可以打印任何幾何形狀，例如，一根管子或一條血管。然后細(xì)胞在打印的結(jié)構(gòu)內(nèi)繁殖和生長(zhǎng)，我們?cè)诿}動(dòng)壓力下培養(yǎng)它們，以模擬人類(lèi)的血壓。”

新型彈性水凝膠的另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是可生物降解。目標(biāo)是使聚合物完全可降解——同時(shí)細(xì)胞用自己的膠原蛋白和彈性蛋白代替它，形成堅(jiān)固的天然血管。戴說(shuō)：“它不是人體天然的，這就是為什么我們希望它最終完全消失。”

到目前為止，打印出來(lái)的血管（培養(yǎng)了兩周）仍然比較脆弱，還不能承受人體血壓。戴相信，將培養(yǎng)期延長(zhǎng)到兩個(gè)月（這是一項(xiàng)昂貴的實(shí)驗(yàn)）可以讓細(xì)胞完全發(fā)育出堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。

此外，研究人員正在努力加快水凝膠的降解速度，目標(biāo)是在細(xì)胞成熟為功能性血管的同時(shí)，在兩到三個(gè)月內(nèi)能夠溶解。這項(xiàng)技術(shù)有望最終使患者能夠利用自己的細(xì)胞制造血管。隨著水凝膠降解，人體將自然地替換它，從而形成功能齊全的組織或器官。