斯坦福大學(xué)新算法提速200倍：5小時(shí)內(nèi)精準(zhǔn)打印復(fù)雜心臟血管網(wǎng)絡(luò)

2025年6月13日，南極熊獲悉，斯坦福大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種更快、更精確的血管系統(tǒng)建模和打印方法，解決了利用患者自身細(xì)胞制造可移植器官的關(guān)鍵難題。

△研究成果已發(fā)表在《science》雜志上，題目為“用于生物制造的器官規(guī)模合成血管的快速模型指導(dǎo)設(shè)計(jì)”（傳送門）

為器官短缺和匹配問題提供解決思路

研究人員指出，美國(guó)有超過十萬名患者急需器官移植，但受限于器官短缺和匹配問題，許多人面臨長(zhǎng)期等待甚至無法等到合適的器官。此外，器官移植后排斥反應(yīng)的問題依舊難以避免。因此，研究團(tuán)隊(duì)正致力于使用患者自身的細(xì)胞來制造個(gè)性化器官，而其中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是如何精確模擬復(fù)雜的血管系統(tǒng)，確保新生器官獲得充足的血液供應(yīng)。

這研究的共同資深作者、斯坦福大學(xué)心血管疾病教授Alison Marsden表示：“目前，生物打印組織的規(guī)�；�能力受限于能否為生物打印組織生成血管，因此，若無法提供血液供應(yīng)，組織的規(guī)模便無法擴(kuò)大。因此，我們已經(jīng)優(yōu)化了生成血管的算法，使生成和打印速度比先前的方法快了大約200倍，并且我們現(xiàn)在能夠構(gòu)建出復(fù)雜的血管結(jié)構(gòu)，例如器官內(nèi)的血管網(wǎng)絡(luò)。”

△研究團(tuán)隊(duì)新方法不僅能夠以前所未有的速度生成與人體內(nèi)實(shí)際血管結(jié)構(gòu)相似的設(shè)計(jì)，還能將這些設(shè)計(jì)直接轉(zhuǎn)化為適用于3D打印機(jī)的指令

構(gòu)建定制化血管網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)血液被泵送到體內(nèi)某個(gè)器官時(shí)，它會(huì)沿著大動(dòng)脈流向逐漸變細(xì)的分支血管。在那里，血液與周圍組織進(jìn)行氣體和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的交換。在大多數(shù)組織中，細(xì)胞需要在距離毛細(xì)血管僅一根頭發(fā)絲的寬度內(nèi)才能生存。然而，在心臟等代謝需求特別旺盛的組織中，這個(gè)距離甚至更短——在僅一個(gè)毫米大小的立方體中，可能有多達(dá)2500條毛細(xì)血管。所有這些微小的血管最終都會(huì)匯聚并離開器官。

同時(shí)，血管網(wǎng)絡(luò)并不是標(biāo)準(zhǔn)化的；它們因器官的形狀而異，即使是兩個(gè)大小相似的心臟之間也可能存在顯著的差異。到目前為止，構(gòu)建一個(gè)與獨(dú)特復(fù)雜器官相匹配的真實(shí)血管網(wǎng)絡(luò)模型一直是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，不僅困難重重，而且特別耗時(shí)。許多研究人員因此轉(zhuǎn)向使用標(biāo)準(zhǔn)化的晶格結(jié)構(gòu)。雖然這些晶格在小型工程組織模型中表現(xiàn)良好，但在更大規(guī)模的組織工程中，它們的適用性并不高。

△合成血管工具包的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和功能

生物3D打印打印心臟

為解決這一問題，Marsden和她的同事們構(gòu)建了一種算法，可創(chuàng)建與原生器官高度相似的血管樹。他們結(jié)合流體動(dòng)力學(xué)模擬，確保血管系統(tǒng)均勻分布血液，并成功縮短了生成網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間，避免了血管間的碰撞，創(chuàng)建了一個(gè)具有單一入口和出口的閉環(huán)系統(tǒng)。通過新算法，僅需五小時(shí)即可生成一個(gè)高密度的心臟血管模型，其中每個(gè)細(xì)胞距離最近血管僅100至150微米，展示了高精度與效率。

雖然當(dāng)前的3D打印機(jī)尚未達(dá)到打印如此精細(xì)密集血管網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)水平，但研究人員已成功設(shè)計(jì)并打印出一個(gè)包含500個(gè)分支的血管模型。此外，為了驗(yàn)證模型的生物兼容性，他們還測(cè)試了一個(gè)簡(jiǎn)化版本。通過使用3D生物打印機(jī)（專門用于打印活細(xì)胞，而非傳統(tǒng)材料如樹脂或金屬），研究人員創(chuàng)建了一個(gè)包含人類胚胎腎細(xì)胞的厚環(huán)結(jié)構(gòu)，并構(gòu)建了一個(gè)包含25條血管的網(wǎng)絡(luò)，且在該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的人類胚胎腎細(xì)胞保持了良好的存活狀態(tài)。

△合成血管在生物3D打印制造中的應(yīng)用

研究人員很快注意到，這些血管網(wǎng)絡(luò)還不是功能性血管，它們是通過3D矩陣打印的通道，但它們沒有肌肉細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞或任何其它需要自行運(yùn)作的細(xì)胞。因此研究人員表示，“這是朝著生成真正復(fù)雜的血管網(wǎng)絡(luò)邁出的第一步，我們可以打印出前所未有的復(fù)雜程度的血管，但它們還不是完全的生理性血管。我們正在努力實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)�！�

Skylar-Scott教授表示：“我們已經(jīng)能夠利用人類干細(xì)胞生成足夠的心臟細(xì)胞，并打印出心臟的基本結(jié)構(gòu)。接下來，我們將繼續(xù)優(yōu)化血管設(shè)計(jì)，以支持這些細(xì)胞的生命活動(dòng)。我們相信，未來幾年內(nèi)，我們將能夠打印出具備完整血管網(wǎng)絡(luò)和生理功能的人類器官�！�

此次研究的成果不僅為個(gè)性化器官打印提供了新的思路，也為臨床治療提供了更為高效、可持續(xù)的解決方案。隨著技術(shù)進(jìn)步，個(gè)性化移植器官和再生醫(yī)學(xué)有望在不久的將來實(shí)現(xiàn)，拯救眾多等待器官移植的患者。