在萊斯大學的一份配方中，糖粉是一種特殊的成分，可以在實驗室培養(yǎng)的組織中模仿人體復雜的分支血管。

在近日發(fā)表在《自然生物醫(yī)學工程》(Nature Biomedical Engineering)雜志上的一項研究中，萊斯大學的生物工程師們展示了他們可以通過3d打印的糖模板創(chuàng)建復雜的血管網(wǎng)絡，讓密集排列的細胞在相對較大的結(jié)構(gòu)中存活兩周。

"臨床相關組織工程的最大障礙之一是用數(shù)億活細胞包裝一個大的組織結(jié)構(gòu)，"該研究的第一作者Ian Kinstlinger說，他是萊斯大學Brown工程學院的生物工程研究生。"將足夠的氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)輸送到這么大的組織中所有的細胞是一個巨大的挑戰(zhàn)。"

Kinstlinger解釋說，大自然通過復雜的血管網(wǎng)絡的進化解決了這個問題，這些血管網(wǎng)絡編織在我們的組織和器官中，讓人想起樹枝的圖案。同時，血管的厚度會變小，但數(shù)量會增加，因為它們從中央主干分叉，使氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)能夠有效地輸送到全身的細胞中。

圖片來源：Brandon Martin Rice University

Kinstlinger說："通過開發(fā)模仿自然血管網(wǎng)絡的新技術(shù)和材料，我們離這一點越來越近，我們可以向足夠數(shù)量的細胞提供氧氣和營養(yǎng)，以獲得有意義的長期治療功能，"

糖模板是在萊斯大學生物工程助理教授Jordan Miller的實驗室用一種開源的、改良的激光切割機3d打印的。

"我們在這里開發(fā)的3d打印工藝就像制作一種非常精確的焦糖布丁，" Miller說，他最初的靈感是一種復雜的甜點。

Miller說，這種復雜、詳細的結(jié)構(gòu)是通過選擇性激光燒結(jié)實現(xiàn)的，這是一種將微小的粉末顆粒熔合成立體物體的3d打印工藝。與更常見的擠壓3-D打印，熔化的材料線通過噴嘴沉積不同，激光燒結(jié)的工作方式是在干燥粉末的填充床上輕輕熔化和熔合小區(qū)域。他說，擠壓和激光燒結(jié)都能一次形成一個的三維形狀，但激光方法能產(chǎn)生在擠壓時容易坍塌的結(jié)構(gòu)。

"有一些特定的結(jié)構(gòu)--比如懸空結(jié)構(gòu)、分支網(wǎng)絡和多血管網(wǎng)絡--你真的不能用擠壓打印做得很好，"Miller說，他在賓夕法尼亞大學博士后研究期間用3d擠壓打印機演示了糖模板的概念。Miller在2013年加入萊斯大學后不久就開始研究激光燒結(jié)方法。

他說："選擇性激光燒結(jié)給了我們在所有三個維度上更多的控制，使我們能夠在保持糖材料實用性的同時輕松獲取復雜的拓撲結(jié)構(gòu)。"

糖在制造血管模板時特別有用，因為它在干燥時耐久，而且它能在不損害附近細胞的情況下迅速溶解在水中。為了制造組織，Kinstlinger使用一種特殊的糖混合物來打印模板，然后在打印的糖網(wǎng)絡周圍填充液態(tài)凝膠中的細胞混合物。在幾分鐘內(nèi)，凝膠就會變成半固態(tài)，然后糖被溶解并沖走，為營養(yǎng)和氧氣留下一個開放的通道。

"這種方法的一個主要好處是我們可以快速生成每個組織結(jié)構(gòu)，"Kinstlinger說。"我們可以在五分鐘內(nèi)制造出一些最大的組織模型。"

Miller說，這項新研究回答了兩個重要的問題：什么樣的糖可以燒成連貫的結(jié)構(gòu)，什么樣的計算算法可以推導出復雜的分支結(jié)構(gòu)來模擬那些在自然界發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)？

該研究中生成樹狀血管建筑的計算算法是與神經(jīng)系統(tǒng)設計工作室合作創(chuàng)建的，該工作室利用計算機模擬制作獨特的藝術(shù)品、珠寶和家庭用品，靈感來自于自然界的圖案。

圖片來源：Jeff Fitlow Rice University

神經(jīng)系統(tǒng)公司的聯(lián)合創(chuàng)始人和創(chuàng)意總監(jiān)，同時也是該研究的合著者Jessica Rosenkrantz說："我們利用受自然啟發(fā)的算法來為組織創(chuàng)建功能性網(wǎng)絡。因為我們的方法是基于算法的，所以有可能為不同的用途創(chuàng)建定制化的網(wǎng)絡。"

在用這些計算生成的血管結(jié)構(gòu)創(chuàng)建組織模型后，該團隊演示了在通道內(nèi)植入內(nèi)皮細胞，并集中研究生長在周圍組織中的細胞的存活和功能，包括嚙齒類動物的肝細胞。肝細胞實驗是與華盛頓大學(UW)生物工程師和研究合著者Kelly Stevens合作進行的，Kelly Stevens的研究小組專門研究這些脆弱的細胞，眾所周知，這些細胞很難在體外維持。

Stevens說："與許多其他生物印刷技術(shù)相比，這種方法可以用于更廣泛的混合材料的打印。這使得它的用途非常廣泛。"

Miller說："我們證明了通過三維血管網(wǎng)絡的灌注使我們能夠維持這些大的肝樣組織。盡管在維持肝細胞功能方面仍存在長期的挑戰(zhàn)，但能夠產(chǎn)生大量組織并在足夠的時間內(nèi)維持這些細胞以評估其功能是令人興奮的進步。" （生物谷Bioon.com）

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