食用染料解决3D打印器官的最难挑战

食用染料解决3D打印器官的最难挑战

我们离在实验室中培育器官已经很近了，但我们面临的最大挑战是创造出维持器官存活所需的精细血管网络。现在研究人员发现，一种常见的食用染料可以解决这个问题。

在美国，目前有超过10万人在等待器官移植。即使你很幸运地得到了一个替代品，你也会终生服用免疫抑制剂。这就是为什么科学家们长期以来一直梦想着从病人自身的细胞中培育出新的器官，这可以同时解决器官短缺和器官排斥的风险。

组织工程领域已经取得了很大的进展。实验室培养的皮肤在医学上已有几十年的历史，最近干细胞被用于植入支架——要么是合成材料制成的，要么是通过从自然支持结构中剥离细胞制成的——以繁殖更复杂的生物组织。

然而，也许最令人兴奋的发展是3D打印技术的引入，它有望给生物医学带来工程师们所享受的速度、灵活性和定制化。所谓的生物烧结已经被用来制造用于科学研究的细胞器，而且已经有一些令人印象深刻的关于完整器官概念的证明。

但所有组织工程师都面临的一个共同挑战是所谓的血管化。构建大块组织并不太具有挑战性，但科学家们一直在努力创建由微小血管组成的复杂网络，这些血管将营养和氧气深入器官，并将废物运送出去。这就是为什么迄今为止大多数的演示都是关于只有一两英寸宽的细胞器或者像喉咙或膀胱这样的中空结构。

然而，现在，由德克萨斯州莱斯大学的科学家领导的一个美国研究小组创造了一种3D生物打印机，可以用生物相容的水凝胶打印不到三分之一毫米宽的血管。在《科学》杂志上发表的一篇论文中，他们描述了他们如何使用生物芯片来创建一个能有效供氧人类血液的人类肺模型。

研究小组使用了一种被称为投影立体光刻的普通3D打印技术，这种技术利用光一层一层地固化感光树脂。在这种情况下，他们使用了一种溶液，当暴露在蓝光下时，它会转变成一种软水凝胶。一种特殊的投影仪从下方发出高分辨率的光，决定了每个2D切片的结构。然后，头顶上的手臂抬起正在生长的模型，这样就可以生成下一层。

产生高分辨率的光模式相当简单，但挑战是使树脂足够敏感，复制那些微小的细节。关键的发现是，一种叫做黄色5号的普通食用染料可以有效地吸收蓝光，同时将固化物限制在非常细的一层。这种来自食品和饮料行业的化学物质也是完全无毒的。

他们用这种方法创建了一个复杂的肺模型，肺内有微小的气囊，周围环绕着细小的血管。在实验中，他们证明了这个人造器官可以给人的血液充氧。为了证明这项技术有一天可以应用于人类，他们还使用了打印组织载体，并在将它们植入老鼠体内之前将它们装入肝细胞。

赖斯大学领导的研究小组并不是唯一研究这个问题的小组。初创公司Prellis Biologics也在致力于微小毛细血管的生物冲洗，去年12月，他们推出了一系列内置毛细血管的组织支架。

然而，尽管解决血液供应问题一直是组织工程师们的首要愿望，但最新研究的作者指出，循环系统并不是唯一存在这些精细结构的地方。

"我们的器官实际上包含独立的血管网络——比如肺的呼吸道和血管，或者肝脏的胆管和血管，"莱斯大学生物工程助理教授、《科学》杂志这篇论文的资深作者乔丹·米勒说。

"这些相互渗透的网络在物理和生物化学上相互缠绕，结构本身与组织功能密切相关。我们的是第一个生物打印技术，以直接和全面的方式解决多血管化的挑战，"他说。

在这项技术被用于打印整个器官之前还有很长的路要走，但是这种方法克服了其中一个主要的障碍。值得注意的是，研究人员决定开放这个项目的源代码，这样其他人就可以在他们的设计基础上加快该领域的进展。

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