美借助“脫蠟鑄造工藝”打印出三維脈管系統

　　組織工程和再生醫學領域不斷取得新進展，人們希望有一天能用病人自己的細胞，培養出各種人造器官，把病壞器官替換下來;或者培養出動物肌肉來做牛排，而不再殺牛取排。生物工程師們已經能在二維層面培養出任何一種組織類型，但要跨越到三維，還面臨著不小的障礙。如果讓大量細胞簡單地堆在一起，沒有合理的內部結構，它們很快就會死去。活器官都有復雜的三維血管網，而以往要在實驗室里造出三維血管網幾乎是不可能的。

　　最近，美國賓夕法尼亞大學和麻省理工學院研究人員聯合開發出一種新方法，解決了組織內部細胞的“灌溉”問題。他們用三維打印機打印出一種絲狀網絡模板，用這種模板能迅速造出脈管系統，有了脈管系統就能讓工程組織的功能性大大提高。

　　三維打印與澆鑄工藝結合

　　脈管系統是組織內部細胞運輸營養、清除廢物的通道。薄組織只有很少幾層細胞，所有細胞都能直接得到營養和氧氣;如果是較厚的三維組織，沒有立體交叉通道的話，內部活細胞無法進行物質氧氣交換，很快就會死掉。因此生物工程師在考慮能否借助三維打印的方式，培養三維形狀的大量活細胞。

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　　最普通的技術是層狀構造，也叫生物打印(bioprinting)，就是先用膠質物把細胞粘合成層狀或團粒狀，再把每一層或每個小團粘起來，就像搭建“樂高”玩具。這種“加法制造”模式能用各種材料造出復雜的形狀，但在用細胞做三維打印時，要造出脈管系統還有很大困難。打印制作出的中空管道，會在層與層之間留下結構接縫，液體流過會產生壓力，可能導致接縫開裂。更重要的是，許多有用的細胞型，如肝臟細胞，在直接打印的三維結構中無法存活。

　　圍繞這些問題，賓夕法尼亞大學克里斯托弗·陳和同事改進了內部打印過程。他們不是打印出一大塊組織，在層與層之間留下孔道作脈管系統。他們設計出一種獨立式三維絲狀網絡，在模具內部形成脈管系統，并利用“脫蠟鑄造工藝”，讓這種模具和脈管模板在加入了細胞并形成了內部穩定的網絡管道時，能自行去除。

　　“有時，最有效的方法是返回到基礎。” 賓夕法尼亞大學博士后喬丹·米勒說：“這一方法的最初靈感來自參觀‘人體世界展’，這里有獨立式澆鑄工藝制作的整個器官的脈管系統。”

　　糖制的三維脈管系統

　　要采用這種快速澆鑄技術，還必須開發出一種新材料：既要足夠堅硬，用作圓柱形的三維網絡系統框架，還要易溶于水，對細胞沒有毒副作用，而且還要能和三維打印機兼容，這樣研究人員才能制定出整個脈管網絡的等級順序。在打印更大更復雜三維組織時，這比層層粘合的生物打印方法更快。

　　經過多次測試后，研究小組發現了一種性質完全符合需要的材料，就是糖。糖具有一定的機械強度，并以纖維素的形式構成了地球上大部分的有機生物質，但這種材料通常只作為添加劑和幫助細胞生長的營養溶液。

　　“我們測試了多種不同分子式的糖，直到各方面屬性都達到最理想。”米勒說，“因為此前還沒有一種膠能適用于所有類型的工程組織。”

　　研究人員設計的新型糖，是將蔗糖、葡萄糖和右旋糖苷結合起來成為一種加強結構。打印程序是一種叫做RepRap的開源三維打印機程序，附帶專門設計的擠壓和控制軟件。

　　用這種糖打印出模具以后，在固定過程中要給它涂上一薄層從玉米中提取的可降解聚合物。涂層會讓糖模溶化，通過它們生成的孔道流出膠體，不會遏制膠液的凝固或損害附近的生長細胞。當糖被去除以后，就留下了網狀的脈管結構。研究人員可以在其中注入營養液，細胞就可以從中獲得營養和氧氣，就像天然組織中的營養和氧氣交換。

　　溫和迅速的細胞旅程

　　整個過程時間很短，而且廉價，構造多重脈管系統還可以在計算機上反復模擬調整。

　　“這是一種新的平臺技術，對細胞而言，形成組織的過程只是一次溫和而迅速的旅程。”克里斯托弗·陳說，“因為細胞只是被吸入人工吸液管幾分鐘，并被注入模具一次，然后就開始從脈管網絡中吸取營養而成長。”

　　研究人員還將人類的血管細胞注入脈管網絡，發現它們能自發地產生新的毛細血管，增加網絡分支，而且產生的大部分血管都能自然生長。他們還造出了含有基本肝臟細胞的膠體，用該技術產生了脈管系統來測試肝細胞功能。通過膠體中留下的脈管網輸入營養物質后，他們發現，肝細胞產生的白蛋白和尿素都提高了，這兩項是檢測肝細胞功能和健康程度的重要指標。此外，還有其他明顯證據顯示，在“灌溉”脈管網周圍，細胞的存活率增加了。

　　“灌溉”管道的營養運輸理論模型也顯示，細胞生存方式和自然組織中非常相似，這讓人們有可能模擬活細胞來改進計算機模型，更好地設計脈管構造。研究人員解釋說，盡管這些工程組織肝還不具備自然肝臟的全部功能，但細胞密度已經接近臨床需要。這表明打印的脈管系統還有很大潛力，進一步研究的話，最終有可能用于實驗室培養器官和類器官。

　　研究人員還指出，對各種細胞和組織方面的應用而言，三維打印方法是一種可升級的方法，因為所有的器官脈管系統都遵循著相似的構造方式。“我們的研究是以 RepRap和MakerBot技術為基礎的創新，開源程序意味著你能自由修改它。”米勒說，他們將繼續改進這一技術，重新設計一種專用于細胞生物學、組織工程和再生醫學方面的打印機。