平均每天18人在等待器官移植时死亡在美国。捐赠的器官很难得到,这就是为什么许多科学家在过去20年里一直在尝试创造新的肝脏,肾脏,心或肺从零开始。制作这种精细结构的一种潜在方法是使用生物相容材料进行三维打印,或者生物打印技术,据报道它已经产生了肺和肝组织的功能模型,在一个非常传统的成分的帮助下:食用色素。

可能是器官打印机以前一直被某些器官的复杂性所困扰。我们的肺和肝脏,例如,包含身体和生物化学上缠绕的血管和气道(肺)或胆管(肝)网络。能够重建血管系统,使流体动力学工作,使血液和其他液体正常流动一直是一个持续的挑战。

现在,华盛顿大学和莱斯大学的一组研究人员说,他们利用一种称为投影立体光刻的三维打印技术制作了功能组织模型。该方法使薄层液体树脂暴露在蓝光下,使它们凝固成由缠结的聚合物分子串组成的复杂水凝胶排列。这些形成了一个结构“支架”,研究人员可以将活细胞植入其中,使其能够完成肺或肝的工作。在新的研究中,植入的细胞存活下来,由此产生的器官组织模型展示了真实事物的一些功能。结果是上周出版于科学类.

安东尼·阿塔拉说:“这绝对是我们创造近似正常组织的三维打印结构能力的重大进步。”维克森林再生医学研究所所长,他没有参与新的研究。

投影立体光刻的基本技术是从20世纪80年代开始的。但“它的设计并没有考虑到生物学;必威app它被用来制造塑料结构,”乔丹·米勒说,赖斯布朗工程学院生物工程助理教授和这篇新论文的合著者。这项技术可以产生比标准的三维打印更精细的图层,而且速度更快,也是。“不是通过挤压在几分钟内创建一个层,米勒说:“我们可以用立体光刻术在几秒钟内完成。”这种速度至关重要:因为印刷结构最终将氧气和营养物质输送到细胞,更快的工作意味着制造过程中死亡的细胞更少。

但有一个挑战。这种印刷工艺依赖于光反应器化学品(光反应器化学品)。这样,液体的某些预编程区域将凝固,而其他区域保持柔软,随后可以被冲走。不幸的是,这些化学物质中有许多是致癌的。对于一台3-D打印机,要创建器官所需的细脉管系统,需要进行营养输送和废物清除。它需要立体光刻提供的精度;但是移植需要安全,水溶性光反应器。

所以,研究人员必须找到一种替代已证实但有毒的化学物质的方法。当米勒和他的团队猜测食用染料可能会起到作用时,他们知道它会吸收合适的光波长,从而使三维打印过程得以进行。而且相对来说,它们的生物相容性很强,他们迫不及待地等着供应商来运送原料。所以,Miller说:“我去了超市,我还买了一套食用色素,人们用来做糖果。”

它奏效了。第一,研究小组用食用色素黄色的液体聚合物。5,或柠檬黄,然后让打印机的投影仪发出蓝光。这导致了局部的化学反应,使液体凝固。因为打印机以预先编程的模式投射光线,它创造了一种坚硬的生物结构。“我们欢呼雀跃,因为这是一个惊人的简单的想法;它立即使我们能够使这一体系结构更加复杂,”米勒说。

黄号5,在许多小吃中发现,还有一个优点:它很容易冲洗掉生物打印结构,留下一个清晰的框架来培育科学家们填充的细胞。残留的染料痕迹预计不会影响细胞健康。(研究建议黄号5不影响精子计数,正如传闻的那样;也许,然而,加重儿童先前存在的多动症。)

为了测试

虽然研究人员以前有过生物打印组织,他们无法让细胞存活足够长的时间。最新的研究必须在这方面测试新印刷的脚手架,红细胞是一个简单的开始方法。

研究小组建立了一个气囊的比例模型,模拟了肺部复杂血管网络的关键部分。它包括一个空气通道和单独的血细胞通道。在健康的人体肺部,这两个结构交换氧气而不接触。模型完成了同样的壮举,保持血细胞存活。它也证明了它的坚固性,足以保持它的结构,作为一个模拟的“呼吸”扩大和收缩的印刷组织。

下一步,研究人员测试了一个肝组织模型。印刷过程的一部分包括将称为肝细胞的特殊肝细胞注射到印刷结构中。研究小组将人造肝组织植入慢性肝损伤的活鼠体内,以及未受伤的老鼠,然后测试它们。一个功能齐全的肝脏有500多个功能,在这种情况下,他们只检查了一个,但事实证明这是成功的,而且肝细胞在活鼠体内存活。

新的印刷方法也产生了有效的血管内瓣膜,在心脏和腿部静脉中起着关键作用。在测试中,印刷版保持了流体流经印刷版时的结构,他们阻止它通过阀门向后移动。

印刷器官开放

那么,移植名单上的人需要多久才能获得生物打印的器官呢?科学家们仍然有很多问题要解决,从基础开始,如确定最佳的基础水凝胶。哪种蛋白质最有效?是否应该使用诸如生长因子之类的添加剂来加速这一过程?论文的合著者凯利·史蒂文斯说:“现在我们可以有条理地改变这些因素,看看哪些因素更重要,并询问这些因素如何影响细胞的功能。”华盛顿大学生物工程和病理学系的助理教授。还有一个问题就是如何最好地建造脚手架,以及多少印刷材料可以真正取代组织。史蒂文斯说:“这些问题是技术的新飞跃使我们能够第一次提出的。”

研究人员不想成为唯一一个尝试这些可能性的人,因此他们使他们的技术开源,允许其他生物工程师测试自己的应用。Atala说:“开源的生物打印确实有助于加速这项技术的发展,它确实能更快地推动这一领域的发展。”他计划将这些发现应用于他的团队正在研究的一些器官组织结构。

其他即将成为器官建设者的人可以购买专门的打印机和油墨,米勒和该报的一些其他合作者成立了一家初创公司,称为体积,出售这些材料或自己复制这些作品。米勒说分享DIY的选择对他很重要。“我们真的很兴奋,”他说,“关于在生物打印领域开辟一套新的设计自由。”