3D 打印技術(shù)參考注意到， 2025 年 3D 打印技術(shù)領(lǐng)域第6篇 Science 文章于6 月 12 日發(fā)表 。來自斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊 發(fā)表了題為“Rapid model- guided design of organ- scale synthetic vasculature for biomanufacturing ”的文章。 Science 同期發(fā)表了來自劍橋大學(xué)的華人學(xué)者黃艷燕教授以及悉尼大學(xué)的華人學(xué)者居理寧教授聯(lián)名評論文章“Synthesizing vascular trees at speed”。

這項研究主要探討了生物組織領(lǐng)域的重大進(jìn)展，聚焦使用3D打印技術(shù)快速開發(fā)具有人體器官尺度的大尺寸血管網(wǎng)絡(luò)。 研究人員開發(fā)了一個模型驅(qū)動的設(shè)計平臺，能夠使血管的生成速度提升230倍；結(jié)合多保真計算流體動力學(xué)模擬和三維生物打印，最終使制造出的血管模型結(jié)構(gòu)、形狀及尺寸均能達(dá)到人體器官規(guī)模。該研究將為體外構(gòu)建具有活體功能的器官來用于藥物篩選、疾病研究和移植帶來新的發(fā)展契機。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj6152

血管化——生物制造的核心挑戰(zhàn)
隨著生物打印方法已能夠精確放置細(xì)胞且保持良好的活力，目標(biāo)已轉(zhuǎn)向生成人體尺度、生理相關(guān)的組織。在人工組織中再現(xiàn)血流動力學(xué)對于其存活至關(guān)重要。真實的組織器官中細(xì)胞與血管的距離不超過100μm；在代謝需求高的組織中，這個距離可能小于20μm，血管密度可能超過每毫米2500個血管。

在立方體和雙心室中設(shè)計的傳統(tǒng)晶格血管網(wǎng)絡(luò)和合成血管網(wǎng)絡(luò)

血管為細(xì)胞提供營養(yǎng)、輸送氧氣并清除代謝廢物。因此，在體外構(gòu)建組織器官的一個重要工作就涉及到構(gòu)建出通道來實現(xiàn)血管的功能，并會以灌注的形式向該組織器官模型中輸入必要的生物、測試等物質(zhì)。
然而，構(gòu)建如此復(fù)雜血管網(wǎng)絡(luò)的難度顯而易見。要構(gòu)建血管網(wǎng)絡(luò)，首先應(yīng)獲取它的具體分布、再構(gòu)建模型，然后再進(jìn)行制造。目前，第一步的實現(xiàn)也非順利，傳統(tǒng)上建立復(fù)雜的模型通常需要幾天時間。當(dāng)前獲取真實組織中血管分布的方法有從圖像數(shù)據(jù)中分割血管以及通過冷凍顯微鏡和光學(xué)切片顯微鏡技術(shù)分割血管。前者的問題在于分辨率不足，后者的問題在于很少有直接的解剖學(xué)對應(yīng)物可供提取成像，且仍然存在數(shù)據(jù)量巨大、三維重建困難、分辨率問題等。

具有1000個終端的血管樹分別位于立方體、環(huán)形、雙心室和腦回組織域中
現(xiàn)代灌注設(shè)計依賴簡單晶格結(jié)構(gòu)，無法很好地再現(xiàn)天然血管的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和血流動力學(xué)。這些理想化的設(shè)計在低細(xì)胞密度組織中尚能發(fā)揮作用，但它們無法滿足臨床細(xì)胞密度下的組織代謝需求，導(dǎo)致所構(gòu)建的人體尺度組織器官在體外的存活率很低。
血管網(wǎng)絡(luò)設(shè)計速度提升230多倍
斯坦福大學(xué)的研究團(tuán)隊介紹了一種合成血管工具，能夠在幾分鐘內(nèi)生成跨器官的樹網(wǎng)絡(luò)模型，通過結(jié)合血流動力學(xué)模擬3D打印技術(shù)，能夠自動化的完成血管管道構(gòu)建。

為了能夠快速建模器官尺度的合成血管系統(tǒng)，研究人員采用四種不同的算法——將復(fù)雜問題分解為較小的子問題來求解；在每次添加血管時臨時存儲中間結(jié)構(gòu)來減少計算復(fù)雜性；部分隱式體積表示法將3D體積切分為更小的部分，能夠高效處理非凸幾何體，如血管分支和心臟瓣膜，而無需使用計算成本高昂的網(wǎng)格；分層碰撞檢測使用樹結(jié)構(gòu)來圖形模擬和篩選兩個血管之間的潛在交點。多目標(biāo)優(yōu)化同時做出決策，來生成閉合循環(huán)的血管回路。

為展示該平臺的設(shè)計能力，研究人員計算生成了非凸形雙心和環(huán)形幾何結(jié)構(gòu)中具有104到106個終端血管的合成血管。當(dāng)達(dá)到100萬個出口時，血管直徑從1.2毫米到5微米不等，符合新生兒冠狀動脈的形態(tài)計量數(shù)據(jù)。每百萬血管樹的生成大約需要5小時，從組織間隙到最近的血管的平均距離測量約為180到190微米。若納入促血管生成方法，能夠通過引入毛細(xì)血管網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步降低該平均距離。

在血管腔的 z 軸方向進(jìn)行熒光掃描以檢測其完整性

基于以上方法，設(shè)計復(fù)雜的血管樹需要大量的計算勞動和成本大大降低。相比傳統(tǒng)方法的模型設(shè)計速度加快了230多倍。

3D打印真實再現(xiàn)功能血管

為了說明組織工程的實用性，研究人員在水凝膠中打印了多種血管結(jié)構(gòu)，水凝膠的自支撐特性使血管打印非常便利。

首先打印的是一個四血管平面網(wǎng)絡(luò)，確認(rèn)了防水性和灌注情況。在37°C以上，血管內(nèi)的支撐材料可融化去除。光學(xué)相干斷層掃描顯示與數(shù)字設(shè)計相差很小，且受到打印針頭和層厚的影響。研究人員還使用染料灌注，驗證了管腔的完整性。

為了說明模型驅(qū)動的設(shè)計血管在組織制造和流動模擬方面的實用性，研究人員在一個立方體組織域中創(chuàng)建了一個非平面的單入口單出口血管網(wǎng)絡(luò)。在打印前，通過數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行脈動流模擬確認(rèn)了血流動力學(xué)完整性。通過將顆粒墨水?dāng)D壓到顆粒支撐浴中來制造模型，獲得軟組織的彈性模量。這種合成血管確保了流量分布均勻，并相應(yīng)地提高了灌注和存活率。

最后，研究人員利用嵌套3D生物打印技術(shù)在兩個連續(xù)步驟中制造了一個灌注環(huán)。打印結(jié)構(gòu)的微型計算機斷層掃描(μCT)顯示，與數(shù)字模型相比，表面偏差很小。

首先在含有高濃度細(xì)胞懸浮浴生物墨水中打印出了一個半徑為10毫米、高度為18毫米的環(huán)形結(jié)構(gòu)（非血管通道）組織。接著，使用基于明膠微顆粒的犧牲生物墨水，在環(huán)形結(jié)構(gòu)中打印出由25個相互連接的血管段組成的集成可灌注血管域。作為對照，另一組實驗只打印環(huán)形結(jié)構(gòu)而不在其中打印血管，該結(jié)構(gòu)在培養(yǎng)基中培養(yǎng)，而前一組則使用灌注形式培養(yǎng)。結(jié)果顯示，內(nèi)有血管的環(huán)形結(jié)構(gòu)7天后仍然保持高細(xì)胞活性，而沒有內(nèi)部血管的機構(gòu)則活性很低。該實驗突出了嵌套式3D生物打印在構(gòu)建具有可灌注血管域的組織結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢和應(yīng)用潛力。

生物打印血管模型的灌注和存活情況

在多個尺度上生成定制血管一直是生物打印的重大障礙。在這項工作中，研究人員提出了一種綜合的模型驅(qū)動管道設(shè)計方法，可高效生成任意幾何形狀的血管網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合先進(jìn)的3D打印技術(shù)，將其制造出來。而且，所打印的血管網(wǎng)絡(luò)能夠確保體外的灌注功能和生物相容性。然而，研究也指出，目前大而復(fù)雜的具有較小直徑血管的血管樹仍然難以構(gòu)建，打印不準(zhǔn)確性可能導(dǎo)致灌注的中斷或堵塞。

長期來看，組織工程旨在通過患者特定的干預(yù)措施替換受損或患病的器官。這項研究仍然擴展了未來合成血管結(jié)構(gòu)在生物制造和患者特定建模中進(jìn)行更廣泛應(yīng)用的潛在可能性，有望為組織器官再造提供重要的技術(shù)支持。

注：本文由3D打印技術(shù)參考創(chuàng)作，未經(jīng)聯(lián)系授權(quán)，謝絕轉(zhuǎn)載。

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