糖:3D打印血管的甜蜜方式

Rice的生物工程师表明，他们可以通过从血管模板中创建复杂的血管网络，使密集排列的细胞在相对较大的结构中存活两周3 d印制糖。该研究的主要作者、莱斯布朗工程学院生物工程研究生伊恩·金斯林格说:“工程临床相关组织的最大障碍之一是用数亿活细胞填充大型组织结构。”“在这么大的体积的组织中，向所有细胞输送足够的氧气和营养物质成为一个巨大的挑战。”

金斯林格解释说，大自然通过进化复杂的血管网络解决了这个问题组织和器官图案让人联想到树枝。这些血管同时变得更薄，但数量更多，因为它们从中央主干分支出去，从而使氧气和营养物质有效地输送到全身的细胞。金斯林格说:“通过开发新的技术和材料来模拟自然形成的血管网络，我们离能够为足够数量的细胞提供氧气和营养物质以实现有意义的长期治疗功能的目标越来越近了。”

该研究的合著者、赖斯大学生物工程助理教授乔丹·米勒(Jordan Miller)的实验室用开源的、经过改进的激光切割机3D打印出了糖模板。米勒说:“我们在这里开发的3d打印过程就像制作非常精确的焦糖布丁。”他最初的灵感是一道复杂的甜点。

Miller说，这种复杂、精细的结构是通过选择性激光烧结(一种3D打印工艺，将微小的粉末颗粒融合成固体3D物体)实现的。新利18官方与更常见的挤压3D打印(熔化的材料线通过喷嘴沉积)相比，激光烧结是通过在干新利18官方燥粉末填充床上轻轻熔化和熔合小区域来工作的。他说，挤压和激光烧结都能一次生成2D层的3D形状，但激光方法能够生成结构，否则挤压时很容易坍塌。

“有些特定的结构——比如悬架结构、分支网络和多血管网络——你真的不能很好地用挤压打印，”米勒说，他在宾夕法尼亚大学博士后研究期间演示了用3D挤压打印机制作糖模板的概念。他说:“选择性激光烧结使我们在所有三个维度上都有了更大的控制能力，使我们能够轻松地访问复杂的拓扑结构，同时仍然保留糖材料的实用性。”

糖在制造血管模板时特别有用，因为它在干燥时很耐用，而且能迅速溶解在水中而不会损伤附近的细胞。为了制作组织，金斯林格使用一种特殊的糖混合物来打印模板，然后在打印出的糖网周围填充液体凝胶中的细胞混合物。凝胶在几分钟内变成半固态，然后糖被溶解并冲走，为营养和氧气留下一个开放的通道。金斯林格说:“这种方法的一个主要好处是，我们可以快速生成每种组织结构。”“我们可以在不到5分钟的时间里创造出一些迄今为止最大的组织模型。”

米勒说，这项新研究回答了两个重要的问题:什么样的糖可以烧结成连贯的结构，什么样的计算算法可以推导出模拟自然界中发现的复杂、分支结构?

研究中生成树状血管结构的计算算法是与神经系统合作创建的，神经系统是一个设计工作室，使用计算机模拟来制作独特的艺术、珠宝和家居用品，灵感来自于自然界的模式。“我们正在使用受自然启发的算法来创建组织的功能网络，”神经系统的联合创始人和创意总监、研究合著者杰西卡·罗森克兰茨(Jessica Rosenkrantz)说。“因为我们的方法是基于算法的，所以可以为不同的用途创建定制的网络。”

在用这些计算生成的血管结构创建组织后，该团队演示了在通道内播种内皮细胞，并专注于研究周围组织中生长的细胞的生存和功能，包括被称为肝细胞的啮齿动物肝细胞。肝细胞实验是与华盛顿大学(UW)生物工程师、研究合著者凯利·史蒂文斯(Kelly Stevens)合作进行的，他的研究小组专门研究这种脆弱的细胞，众所周知，这种细胞很难在体外维持。史蒂文斯说:“与许多其他生物打印技术相比，这种方法可以用于更广泛的材料组合。”“这让它变得非常灵活。”

Miller说:“我们发现，通过三维血管网络的灌注可以维持这些大的肝样组织。虽然在维持肝细胞功能方面仍存在长期的挑战，但能够产生大量的组织，并在足够的时间内维持细胞的容量，以评估其功能，是一个令人兴奋的进步。”

这项研究发表在杂志上自然生物医学工程。