加利福尼亚大学圣地亚哥分校的生物工程师开发了一种三维生物打印技术，该技术与天然材料配合使用，易于使用，使不同技术专长的研究人员能够生成逼真的器官组织模型。
作为一个概念验证，加州大学圣地亚哥分校的团队用他们的方法来创建血液能够保持乳腺癌肿瘤活体之外的血管网络。他们还创建了血管化人体肠道的模型。该工作最近发表在Advanced Healthcare Materials上。
研究人员表示，目标不是制造可以植入体内的人造器官，而是制作易于生长的人体器官模型，可以在体外研究或用于药物筛选。
“我们希望让日常科学家 - 他们可能没有其他3D打印技术所需的专业化 - 更容易制作他们所研究的任何人体组织的三维模型，”第一作者Michael Hu说，他是一名生物工程师博士 加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的学生。“这些模型比标准的2-D或3-D细胞培养更先进，在测试新药方面与人类更相关，目前在动物模型上进行。”
“你不需要把任何复杂的东西带到你的实验室，”该研究的资深作者，加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院的生物工程教授Prashant Mali说。“我们希望多个实验室能够与此合作并对此进行实验。采用的越多，它可能产生的影响就越大。”
方法很简单。例如，为了建立一个活的血管网络，研究人员首先使用Autodesk数字化设计一个脚手架。研究人员使用商业3D打印机，用称为聚乙烯醇的水溶性材料打印脚手架。然后，他们将厚厚的天然材料涂层倒在支架上，让它固化并固化，然后将支架材料冲洗到内部以形成中空血管通道。接下来，它们用内皮细胞覆盖通道的内部，内皮细胞是排列在血管内部的细胞。最后一步是使细胞培养基流过血管以保持细胞存活和生长。
血管由体内发现的天然物质制成，例如纤维蛋白原(一种在血凝块中发现的化合物)和Matrigel，一种可商购的实际哺乳动物细胞外基质形式。
发现合适的材料是最大的挑战之一，该研究的共同作者，生物工程本科生辛毅(琳达)雷表示。“我们想要使用天然材料而不是合成材料，因此我们可以制作尽可能接近体内的材料。他们还需要能够使用我们的3D打印方法。”
“我们可以使用这些日常生物衍生材料制造血管化的离体组织，”马里说。“如果我们想制造可在体外持续很长时间的组织，这是一个重要方面。”
Ami Dailamy是马里实验室的生物工程研究生，他为3D打印设计了一个脚手架。图片来源：加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院
活着
在一组实验中，研究人员使用印刷的血管来保持乳腺癌肿瘤组织在体外存活。他们从小鼠中提取肿瘤碎片，然后将一些碎片嵌入印刷的血管网络中。将其他片保存在标准的3-D细胞培养物中。三周后，封装在血管印迹中的肿瘤组织保持存活。与此同时，那些处于标准3-D细胞培养中的人大部分已经死亡。
“我们希望我们可以运用我们的系统制作可用于检测体外抗癌药物的肿瘤模型，”胡先生说，他对研究乳腺癌肿瘤模型特别感兴趣。“乳腺癌是最常见的癌症之一 - 它拥有最大的研究成果之一，也是最大的药物研发小组之一。因此，我们可以制造的任何模型对更多人都有用。”
在另一组实验中，研究人员创建了血管化的肠道模型。结构由两个通道组成。一个是直肠管，内衬肠上皮细胞以模仿肠道。另一个是血管通道(内衬细胞)，在肠道周围盘旋。目的是重建一个被血管网络包围的肠道。然后给每个通道提供针对其细胞优化的培养基。在两周内，频道开始呈现更逼真的形态。例如，肠道已开始发芽绒毛，绒毛是肠壁内侧的微小手指状突起。
“通过这种策略，我们可以开始在离体环境中制造复杂，长寿的系统。未来，这可能取代动物用于制造这些系统，这就是现在所做的，”马里。
“这是一个概念证明，表明我们可以将不同类型的细胞培养在一起，这对于我们想要在体内模拟多器官相互作用非常重要。在一次印刷中，我们可以创建两个不同的局部环境，每个环境保持不同活着的细胞类型，并放在一起足够接近，以便它们可以相互作用，“胡说。
展望未来，该团队正致力于扩展和改进这项技术。未来的工作将集中在优化印刷血管和开发更接近模仿体内血管化肿瘤模型。