3d打印器官突破細(xì)胞營養(yǎng)輸送難題

在共聚焦顯微鏡及掃描電鏡下的流道結(jié)構(gòu)

打印出的含營養(yǎng)通道網(wǎng)絡(luò)的二維及三維凝膠結(jié)構(gòu)

生命結(jié)構(gòu)如此精巧，即使“打印”人造器官的夢想由來已久，卻遲遲不能完全成真。浙大機(jī)械工程學(xué)院傅建中教授課題組日前開發(fā)出一種全新的器官打印工藝，在打印組織結(jié)構(gòu)的同時打印出內(nèi)部的營養(yǎng)輸送通道，成功解決了3D打印細(xì)胞的營養(yǎng)維持問題。有了營養(yǎng)，細(xì)胞就能“活”得更久，這使得大尺寸器官3D打印成為可能。

相關(guān)論文“Coaxial nozzle-assisted 3Dbioprinting with built-in microchannels for nutrients delivery”(營養(yǎng)通道同步制造的器官打印方法)5月19日在線發(fā)表在《Biomaterials》(《生物材料》)雜志上。論文第一作者為博士生高慶，通訊作者為課題組的賀永副教授。

器官打印，是用3D打印的辦法，將含細(xì)胞的生物墨水進(jìn)行一層層的精確可控沉積，從而構(gòu)造出含細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)，再加以后續(xù)培養(yǎng)，以獲得想要的組織。3D打印人造器官的前景很美，如果徹底實(shí)現(xiàn)，那么當(dāng)前器官移植的巨大缺口將得到緩解;科學(xué)家還可以直接拿人造器官來做前期的藥物篩選實(shí)驗(yàn)。

而打印“活物”遠(yuǎn)比打印一般的三維模型困難許多。“營養(yǎng)輸送是器官打印的三大關(guān)鍵難題之一?！辟R永說，目前，擺在器官打印的面前的有“三座大山”：一是尋找合適的凝膠材料，把細(xì)胞包裹起來打印成型;二是組織打印“成型”后，如何對細(xì)胞輸送營養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)體外培養(yǎng);三是培養(yǎng)過程中，如何調(diào)控培養(yǎng)環(huán)境使得獨(dú)立的細(xì)胞個體融合成功能性組織。

據(jù)介紹，目前的器官打印受限于營養(yǎng)輸送問題，導(dǎo)致很多區(qū)域營養(yǎng)難以有效輸送，導(dǎo)致后續(xù)的培養(yǎng)失敗，因此器官尺寸無法擴(kuò)大。“組織內(nèi)遍布纖細(xì)的血管，它們是輸送營養(yǎng)的流道。我們要在體外重構(gòu)這‘血管’?！辟R永介紹，這是3D打印的一個熱點(diǎn)問題。由于凝膠材料非常軟，現(xiàn)有思路多為先打印組織，再構(gòu)造流道的“二次打印”法，效果不夠理想。

賀永課題組的思路，是同時打印組織結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)輸送流道——一次成型!在一次實(shí)驗(yàn)中，他們偶然發(fā)現(xiàn)使用同軸噴頭擠中空凝膠絲時、擠出的兩條凝膠絲可以融合在一起，并具有一定的強(qiáng)度?！坝捎谀z纖維內(nèi)部是中空的，那應(yīng)該能利用其進(jìn)行營養(yǎng)輸送，”賀永說，受此啟發(fā)，課題組用了一年的時間，嘗試基于中空凝膠纖維進(jìn)行器官打印。

一次成型的工藝是否可靠?賀永說，除了在工藝上方便快捷之外，一系列實(shí)驗(yàn)也證明了這一工藝的優(yōu)越性：流道不但能穩(wěn)定輸送營養(yǎng)，能讓大分子營養(yǎng)物質(zhì)滲透到細(xì)胞中去，此外有或沒有我們的流道，細(xì)胞的活性大相徑庭?！?br />
據(jù)介紹，目前的器官打印受限于營養(yǎng)輸送問題，導(dǎo)致很多區(qū)域營養(yǎng)難以有效輸送，導(dǎo)致后續(xù)的培養(yǎng)失敗，因此器官尺寸無法擴(kuò)大 ?！拔覀兊倪@一工藝將為接近真實(shí)尺寸的器官制造提供可能?！辟R永說，這一方法還可以廣泛應(yīng)用于片上器官、凝膠基微流控芯片、細(xì)胞傳感器芯片、藥物篩選芯片等領(lǐng)域。

“當(dāng)然我們只是初步解決了器官打印中的一個問題而已，實(shí)現(xiàn)器官制造的終極目標(biāo)：器官打印還需要諸多學(xué)科的科學(xué)家持續(xù)不斷的努力?！?br />