日前，哈佛大學(xué)JohnA.Paulson工程與應用科學(xué)學(xué)院（SEAS）與哈佛Wyss生物工程研究所組成的一個(gè)科學(xué)家團隊已經(jīng)發(fā)明了一種方法，可以用人類(lèi)干細胞、細胞外基質(zhì)和內襯血管內皮細胞的循環(huán)通道3D打印出厚實(shí)的血管化組織構造。最終形成的包含在深層組織內的血管網(wǎng)絡(luò )能夠使液體、營(yíng)養物質(zhì)和細胞生長(cháng)因子均勻地灌注于整個(gè)組織。這項重大突破已經(jīng)于2016年3月7日發(fā)表在了《ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences》雜志上。
“這項最新的成功擴展了我們的多材料生物打印平臺打印更厚的人體組織的能力，使我們進(jìn)一步接近于創(chuàng )建出可用于組織修復和再生的結構。”這項研究的高級作者、Hans?rgWyss生物工程教授JenniferA.Lewis說(shuō)。
到目前為止，科學(xué)家們在使用各種細胞類(lèi)型構建更大的人體組織的道路上遇到的最大障礙是缺少可靠的方法將能夠維持生命的血管網(wǎng)絡(luò )嵌入組織內部。這也是Lewis及其團隊此次研究成果的重大意義所在。
據了解，在其之前工作的基礎上，Lewis她的團隊將可3D打印的組織厚度增加了近10倍，從而為下一步的組織工程與修復開(kāi)辟了廣闊的道路。該方法將血管管路與活細胞和細胞外基質(zhì)結合起來(lái)，使該結構能夠像活體組織那樣發(fā)揮作用。在研究中，Lewis及其研究團隊證明，他們3D生物打印的組織可以維持像活組織結構那樣的功能超過(guò)六個(gè)星期！
在研究中，Lewis的團隊展示了他們3D打印足有一厘米厚的組織的過(guò)程，該組織包含了人骨髓干細胞，這些干細胞被結締組織包圍著(zhù)。為了展示該組織的功能，科學(xué)家們通過(guò)支持的血管系統注入了抽骨生長(cháng)因子，然后在一個(gè)月內誘導干細胞發(fā)展為骨細胞。值得一提的是該血管系統內部擁有與真正的血管同樣的內皮細胞。
“這項研究將有助于我們?yōu)樯锎蛴⊙芑幕罱M織建立起基本的科學(xué)認知。”來(lái)自資助了該項目的美國國家科學(xué)基金會(huì )（NSF）的官員ZhijianPei說(shuō)：“這類(lèi)研究將進(jìn)一步擴展3D打印的人體組織在藥物安全、毒性篩查方面的應用，并最終可用于組織修復和再生。”
據了解，Lewis教授全新的3D生物打印方法主要使用一種可自定義的3D打印硅膠模具來(lái)容納和扶持打印的組織結構。在這種模具里，研究人員首先打印出血管管路網(wǎng)格，然后再在上面打印含有活體干細胞的油墨。需要指出的是，這些油墨是可以自我支撐的，其強度足以在該結構尺寸隨著(zhù)逐層沉積而不斷增長(cháng)的過(guò)程中保持形狀。在這個(gè)基礎性血管網(wǎng)格內部的交叉路口，研究人員會(huì )打印血管立柱，這些血管網(wǎng)格相互連接，就在整個(gè)干細胞堆積的組織內部形成了一個(gè)無(wú)所不在的微血管網(wǎng)絡(luò )。在打印之后，一種由成纖維細胞和細胞外基質(zhì)組成的液體會(huì )填進(jìn)3D打印組織周?chē)拈_(kāi)放區域，交聯(lián)其整個(gè)結構。
最終產(chǎn)生的軟組織充滿(mǎn)了血管，然后研究人員通過(guò)該硅膠模具兩端的出入口可以向該組織灌注營(yíng)養物質(zhì)，以保證細胞存活。而無(wú)所不在的血管系統則通過(guò)將細胞生長(cháng)因子運送至整個(gè)組織的所有地方來(lái)促進(jìn)干細胞的分化。更加直觀(guān)的過(guò)程請看下面的演示視頻：
研究人員們稱(chēng)，如果要實(shí)現各種形狀、厚度和成分的組織，可以通過(guò)設計3D打印硅膠模具的形狀以及調制擁有不同細胞類(lèi)型的細胞油墨來(lái)實(shí)現。
“擁有了這種在組織內的預制血管，使我們能夠增強組織深層的細胞功能，并通過(guò)灌注營(yíng)養物質(zhì)和生長(cháng)因子等物質(zhì)來(lái)調節這些細胞的功能。”該項研究的第一作者之一DavidKolesky說(shuō)。
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