圣母大学与哈佛医学院的研究人员合作，开发出一种能够以接近人体最小血管分辨率的精度3D打印血管网络的方法。这项发表在《自然·化学工程》上的研究，解决了组织工程领域一个核心未解难题：如何在更大的组织结构中构建足够精细的血管网络以维持细胞存活——从而推动生物打印组织向临床应用迈进。
定制打印机融合两种技术
研究人员设计了一套定制系统，将挤出式生物打印与气溶胶喷射打印相结合，而非改造商用生物打印机。挤出式打印负责处理较大的组织结构，而气溶胶喷射打印则用于制作精细的牺牲通道，这些通道随后会转化为类似血管的管道。由此产生的系统能够制造直径小于10微米的通道——在某些情况下可达5至6微米——与人体组织中的毛细血管相当。打印过程中可调整通道的尺寸和几何形状，从而形成分层的分支网络，更接近天然血管的结构。该技术不局限于单一血管尺寸：研究团队展示了从较大血管样通道到毛细血管级结构的网络。
打印的一维、二维和三维血管网络的明场和荧光图像。图片来源：Yanliang Zhang 等人，《自然·化学工程》。
机器学习减少参数试错
该系统采用贝叶斯优化来确定打印特定尺寸通道所需的参数设置。研究显示，优化过程通常在大约八轮测试内就能找到合适的参数，从而减少了为不同通道规格校准系统所需的反复试验工作。在实验室实验中，内皮细胞（人体内血管内壁的细胞类型）附着在通道壁上，在结构内扩散，并形成具有功能特征的连续内壁，与天然血管壁相似。研究团队还证明，液体可以在打印的网络中流动，并且细胞在生长过程中保持活力。
潜在应用与长期目标
这项研究是美国国立卫生研究院（NIH）今年早些时候宣布的一个更广泛四年期项目（资助金额260万美元）的一部分，该项目旨在开发能够超越当前实验室典型小样本规模的功能性血管化组织。团队确定的近期应用包括药物测试和疾病建模——在这些应用中，血管化组织结构可以为研究人类疾病或在动物实验及临床研究之前评估疗法提供更接近生理的条件。长期目标是推进更大规模的工程化组织，并最终实现器官制造。
维持组织存活：生物打印中的血管化难题
Yanliang Zhang 与 Yu Shrike Zhang 的这项工作针对的是再生医学中一个公认的空白：生物打印组织一旦厚度超过几百微米，如果没有内部供应网络，就无法维持细胞活力。氧气和营养物质无法扩散足够远以到达较大组织结构内部的细胞，而如果没有通道排出代谢废物，组织就会退化。圣母大学与哈佛大学的合作直接针对这一问题，构建了一种混合打印系统，能够在类似软组织的材料中制造分层血管网络——从较大通道到毛细血管级管道——其长期目标是生产足够大且稳定的、具有临床意义的组织结构。
其他学术团体也通过不同技术路径追求类似目标。哈佛大学威斯研究所开发了co-SWIFT技术，将相互连接的血管网络嵌入心脏组织内；而斯坦福大学的Mark Skylar-Scott团队则致力于开发加速血管网络设计的平台，并研究刺激那些无法直接3D打印的极细血管的生长。
所有这些努力共同面临的挑战是分辨率：大多数现有方法可以制造较大的血管样通道，但在毛细血管尺度上却举步维艰——天然血管在此尺度上变得过于精细，仅靠传统的挤出式打印难以复制。圣母大学与哈佛大学的混合方法——将气溶胶喷射打印与挤出打印相结合，并利用机器学习校准参数——是弥合这一差距的最直接尝试之一。
这项题为《毛细管级分辨率下分层血管网络的混合生物打印》的研究由 Yuxuan Liao、Salvador Gallegos-Martínez、Xiao Kuang、Yipu Du、Yu Shrike Zhang 和 Yanliang Zhang 共同完成。
来源：中国3D打印网
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