圣母大学的研究人员开发出一种混合生物打印技术，能够制造直径小于10微米的毛细血管，比最细的人类头发还要细，这扫清了科学家在实验室培育器官道路上的最大障碍之一。这项由圣母大学航空航天与机械工程系先进材料与制造学院教授张彦亮（音译）领导的研究成果发表在《自然·化学工程》杂志的封面上。
目前美国有超过10万人正在等待器官移植，平均每10分钟就有一名新的候选人加入等待名单。即使移植成功，患者也需要终身承受痛苦：他们必须服用免疫抑制药物，面临更高的感染风险，并且始终面临着器官排异的威胁。利用患者自身的细胞进行生物打印器官可以规避这些问题，但复制人体血管网络，甚至精确到最小的毛细血管，几十年来一直困扰着研究人员。
（左图）张彦良制作的毛细管。（右图）张彦良与博士生、该研究的第一作者廖宇轩。（图片来源：Wes Evard / 圣母大学工程学院）
张氏的方法将两种截然不同的3D打印技术结合起来。首先，利用挤出打印技术逐层构建一种柔软的凝胶状支架，模拟真实组织。然后，利用气溶胶喷射打印技术在支架内部沉积细小的明胶丝。最后，将整个系统浸入温水中，明胶液化并被冲洗掉，剩余的通道宽度从数百微米缩小到仅几微米不等。
要始终如一地精确控制尺寸，就需要借助机器学习。墨水流量或鞘气流量的微小变化都会改变最终的通道尺寸，因此团队构建了一个自主优化框架来寻找最佳参数组合。“与传统的试错法相比，机器学习是一个非常强大的工具，它能帮助我们更快地找到最佳参数，”张说道。
网络打印完成后，研究人员在选定的通道中接种了内皮细胞，这些细胞与构成人体血管和淋巴管内壁的细胞相同。这些细胞附着并沿着内壁扩散，形成单细胞层，从而模拟了真实人体毛细血管的屏障功能。“我们非常高兴地看到活细胞迅速附着并沿着通道内壁扩散，最终模拟了真实人体毛细血管的屏障功能，”张教授说。“这有力地证明了我们混合打印的网络能够支撑活体组织结构而不发生渗漏。”
该平台的潜力远不止于器官制造。能够精确复制毛细血管尺度结构的血管模型可以作为“芯片器官”测试平台，用于评估药物的安全性和有效性；而患者特异性细胞来源最终有望在全面治疗开始前，在该模型中评估治疗反应。
张教授及其在哈佛医学院的合作者，包括哈佛医学院和布莱根妇女医院的医学副教授张宇（Y. Shrike Zhang），已获得美国国立卫生研究院的资助，用于研发功能更强大的混合生物打印机，并致力于制造完整的实验室培育器官，包括心脏、肾脏和肝脏。“有太多人正在等待器官移植，而实验室器官打印技术有望通过帮助人类活得更长久、更健康来改变他们的生活，”张教授说道。
来源：news.nd.edu
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