①器官移植是20世纪以来最伟大的医学成就之一,但是器官供体严重短缺是全球性难题。以中国为例,2018年完成器官移植有2万余例,但是每年约30万器官衰竭患者需要器官移植,因此器官供体形势可谓杯水车薪。
②3D生物打印技术为患者带来新的希望。该技术是利用计算机模拟技术,参考真实器官的结构,通过3D生物打印设备,像喷墨打印机打印纸张一样,将可降解的、具有生物相容性的非生物材料批量制作成具有三维立体结构的细胞脚手架,然后让某些细胞在脚手架上生长并融合成组织或器官,再将细胞脚手架的非生物材料冲洗或生物降解,留下的就是与真实器官结构和功能相似的3D打印组织或器官。
③自21世纪初以来,3D生物打印技术在骨骼、软骨甚至心脏瓣膜等人体组织上展现出巨大的应用潜力,有些开始进入临床应用。但是,制作可供移植的3D打印器官则是3D生物打印技术的国际难题,特别是肺、心和肝等实体器官。因为这些实体器官结构复杂,内部还布满细微的毛细血管。3D打印时不仅需要模拟器官框架结构,更关健的是必须形成复杂的毛细血管网络,最终将氧气和营养成分运送到器官各处,并将器官产生的废气和废料运送出来,这样才能让3D打印器官具备应有的生理功能。
④近日,美国赖斯大学等机构研究人员成功制作出3D打印肺脏模型,成为近年来如火如荼的3D生物打印研究领域最令人吸目的进展。
⑤为了制备这种3D打印肺脏模型,研究人员首先需要筛选细胞脚手架的材料。由水和聚(乙二醇)二丙烯酸酯组成的水凝胶,是已知最常用的打印基础材料之一。它可以从液态变成固态,在光线的作用下逐层固化,从而实现组织或器官模型的立体化。为了刻印血管网络,需要在水凝胶中添加光吸收材料,但有些化学材料存在生物毒性,不能用于生物打印。于是,研究人员筛选了一些广泛应用的食品染色剂,最后确认柠檬黄效果比较好,能显著提高立体光刻的效率和精确性。之所以选择食品染色剂作为光吸收材料,一方面是因为这些食品染色剂具有较好的生物相容性,另一方面则是因为这些染色剂易于冲洗或降解,便于后续操作。
⑥该模型并非整个肺脏,只是模拟一个肺泡结构,大小跟一枚五角硬币相近,但“麻雀虽小,五脏俱全”,其中有很多相互缠绕的微细中空管道,包括“血管”和“气管”,最细的管道直径可达1毫米。这一模型就像一个红色网袋包裹着一个中空气囊,红色网袋模拟血管系统,气囊相当于气管,可以允许氧气进出并渗入周边的“血管”,以使红细胞结合氧.
⑦为了脸证该3D肺泡能否发挥基本的生理功能,研究人员将脱氧的人体红细胞注入这些微细管道,同时在气囊管道中注入气态氧,结果发现,入口处血红细胞颜色由深红色变成出口处的鲜红色,即富氧红细胞,说明3D打印肺泡能实现氧气的交换;该模型还可像真实肺泡呼吸时一样进行扩展和收缩,流经这个3D打印肺泡模型的血管之后,红细胞可以将3D打印肺泡气道中的氧气运送出去,即实现了肺脏的“呼吸”功能。
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