美借助“脱蜡铸造工艺”打印出三维脉管系统

组织工程和再生医学领域不断取得新进展，人们希望有一天能用病人自己的细胞，培养出各种人造器官，把病坏器官替换下来；或者培养出动物肌肉来做牛排，而不再杀牛取排。生物工程师们已经能在二维层面培养出任何一种组织类型，但要跨越到三维，还面临着不小的障碍。如果让大量细胞简单地堆在一起，没有合理的内部结构，它们很快就会死去。活器官都有复杂的三维血管网，而以往要在实验室里造出三维血管网几乎是不可能的。

最近，美国宾夕法尼亚大学和麻省理工学院研究人员联合开发出一种新方法，解决了组织内部细胞的“灌溉”问题。他们用三维打印机打印出一种丝状网络模板，用这种模板能迅速造出脉管系统，有了脉管系统就能让工程组织的功能性大大提高。

三维打印与浇铸工艺结合

脉管系统是组织内部细胞运输营养、清除废物的通道。薄组织只有很少几层细胞，所有细胞都能直接得到营养和氧气；如果是较厚的三维组织，没有立体交叉通道的话，内部活细胞无法进行物质氧气交换，很快就会死掉。因此生物工程师在考虑能否借助三维打印的方式，培养三维形状的大量活细胞。

最普通的技术是层状构造，也叫生物打印（bioprinting），就是先用胶质物把细胞粘合成层状或团粒状，再把每一层或每个小团粘起来，就像搭建“乐高”玩具。这种“加法制造”模式能用各种材料造出复杂的形状，但在用细胞做三维打印时，要造出脉管系统还有很大困难。打印制作出的中空管道，会在层与层之间留下结构接缝，液体流过会产生压力，可能导致接缝开裂。更重要的是，许多有用的细胞型，如肝脏细胞，在直接打印的三维结构中无法存活。

围绕这些问题，宾夕法尼亚大学克里斯托弗·陈和同事改进了内部打印过程。他们不是打印出一大块组织，在层与层之间留下孔道作脉管系统。他们设计出一种独立式三维丝状网络，在模具内部形成脉管系统，并利用“脱蜡铸造工艺”，让这种模具和脉管模板在加入了细胞并形成了内部稳定的网络管道时，能自行去除。

“有时，最有效的方法是返回到基础。” 宾夕法尼亚大学博士后乔丹·米勒说：“这一方法的最初灵感来自参观‘人体世界展’，这里有独立式浇铸工艺制作的整个器官的脉管系统。”

糖制的三维脉管系统

要采用这种快速浇铸技术，还必须开发出一种新材料：既要足够坚硬，用作圆柱形的三维网络系统框架，还要易溶于水，对细胞没有毒副作用，而且还要能和三维打印机兼容，这样研究人员才能制定出整个脉管网络的等级顺序。在打印更大更复杂三维组织时，这比层层粘合的生物打印方法更快。

经过多次测试后，研究小组发现了一种性质完全符合需要的材料，就是糖。糖具有一定的机械强度，并以纤维素的形式构成了地球上大部分的有机生物质，但这种材料通常只作为添加剂和帮助细胞生长的营养溶液。

“我们测试了多种不同分子式的糖，直到各方面属性都达到最理想。”米勒说，“因为此前还没有一种胶能适用于所有类型的工程组织。”

研究人员设计的新型糖，是将蔗糖、葡萄糖和右旋糖苷结合起来成为一种加强结构。打印程序是一种叫做RepRap的开源三维打印机程序，附带专门设计的挤压和控制软件。

用这种糖打印出模具以后，在固定过程中要给它涂上一薄层从玉米中提取的可降解聚合物。涂层会让糖模溶化，通过它们生成的孔道流出胶体，不会遏制胶液的凝固或损害附近的生长细胞。当糖被去除以后，就留下了网状的脉管结构。研究人员可以在其中注入营养液，细胞就可以从中获得营养和氧气，就像天然组织中的营养和氧气交换。

温和迅速的细胞旅程

整个过程时间很短，而且廉价，构造多重脉管系统还可以在计算机上反复模拟调整。

“这是一种新的平台技术，对细胞而言，形成组织的过程只是一次温和而迅速的旅程。”克里斯托弗·陈说，“因为细胞只是被吸入人工吸液管几分钟，并被注入模具一次，然后就开始从脉管网络中吸取营养而成长。”

研究人员还将人类的血管细胞注入脉管网络，发现它们能自发地产生新的毛细血管，增加网络分支，而且产生的大部分血管都能自然生长。他们还造出了含有基本肝脏细胞的胶体，用该技术产生了脉管系统来测试肝细胞功能。通过胶体中留下的脉管网输入营养物质后，他们发现，肝细胞产生的白蛋白和尿素都提高了，这两项是检测肝细胞功能和健康程度的重要指标。此外，还有其他明显证据显示，在“灌溉”脉管网周围，细胞的存活率增加了。

“灌溉”管道的营养运输理论模型也显示，细胞生存方式和自然组织中非常相似，这让人们有可能模拟活细胞来改进计算机模型，更好地设计脉管构造。研究人员解释说，尽管这些工程组织肝还不具备自然肝脏的全部功能，但细胞密度已经接近临床需要。这表明打印的脉管系统还有很大潜力，进一步研究的话，最终有可能用于实验室培养器官和类器官。

研究人员还指出，对各种细胞和组织方面的应用而言，三维打印方法是一种可升级的方法，因为所有的器官脉管系统都遵循着相似的构造方式。“我们的研究是以RepRap和MakerBot技术为基础的创新，开源程序意味着你能自由修改它。”米勒说，他们将继续改进这一技术，重新设计一种专用于细胞生物学、组织工程和再生医学方面的打印机。

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