一種能夠為任何3D打印器官快速設(shè)計血管網(wǎng)絡(luò)的計算模型，可能讓我們離無需供體即可移植人工肝臟、腎臟或心臟的目標(biāo)更近一步。相關(guān)論文近日發(fā)表于《科學(xué)》。
器官衰竭患者通常需要器官移植，但全球僅有10%的移植需求得到了滿足。為填補這一缺口，科學(xué)家正在實驗室中研發(fā)3D打印器官的方法。但這些器官需要血管網(wǎng)絡(luò)維持生命，而現(xiàn)有的血管網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法需耗時數(shù)天甚至數(shù)周。
為解決這一問題，美國斯坦福大學(xué)的Alison Marsden團(tuán)隊構(gòu)建了一種計算模型，可基于描述血管如何分支為更小血管的數(shù)學(xué)定律，為任意器官設(shè)計網(wǎng)絡(luò)。
研究人員利用模型，為一個由腎細(xì)胞3D打印而成的1厘米寬環(huán)形結(jié)構(gòu)設(shè)計了由25條血管組成的網(wǎng)絡(luò)，整個過程僅用了幾分鐘。
隨后，研究團(tuán)隊使用冷明膠顆粒將血管網(wǎng)絡(luò)打印到環(huán)形結(jié)構(gòu)中，再加熱至37℃使明膠熔化，留下一個模擬血管1毫米寬的空心通道。研究人員持續(xù)向通道中泵入含氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的液體，以模擬正常血流。
一周后，與同樣沐浴在血液樣液體中且沒有植入血管的相同腎細(xì)胞環(huán)相比，該環(huán)形結(jié)構(gòu)的活細(xì)胞數(shù)量增加了約400 倍。
“我們能讓靠近血管的細(xì)胞存活。”Marsden說，但距離較遠(yuǎn)的細(xì)胞會死亡，因為目前尚無法打印向這些區(qū)域輸送營養(yǎng)的更細(xì)小、分支更多的血管。該團(tuán)隊正在探索解決這一問題的方法。
“他們無疑在突破可能性的邊界。”法國巴黎-薩克雷大學(xué)的Hugues Talbot說。這種方法或許有朝一日能讓科學(xué)家在數(shù)小時內(nèi)完成全尺寸器官的血管網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，而非數(shù)天或數(shù)周。“以這種方法設(shè)計的血管網(wǎng)絡(luò)，未來可能用于替代或至少補充在實驗室培育的器官。”
研究人員首先需要開發(fā)將這些血管網(wǎng)絡(luò)打印到大型器官中的方法。Marsden表示，如果進(jìn)展順利，他們希望5年內(nèi)在豬身上測試3D打印器官。
一種能夠為任何3D打印器官快速設(shè)計血管網(wǎng)絡(luò)的計算模型，可能讓我們離無需供體即可移植人工肝臟、腎臟或心臟的目標(biāo)更近一步。相關(guān)論文近日發(fā)表于《科學(xué)》。
器官衰竭患者通常需要器官移植，但全球僅有10%的移植需求得到了滿足。為填補這一缺口，科學(xué)家正在實驗室中研發(fā)3D打印器官的方法。但這些器官需要血管網(wǎng)絡(luò)維持生命，而現(xiàn)有的血管網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法需耗時數(shù)天甚至數(shù)周。
為解決這一問題，美國斯坦福大學(xué)的Alison Marsden團(tuán)隊構(gòu)建了一種計算模型，可基于描述血管如何分支為更小血管的數(shù)學(xué)定律，為任意器官設(shè)計網(wǎng)絡(luò)。
研究人員利用模型，為一個由腎細(xì)胞3D打印而成的1厘米寬環(huán)形結(jié)構(gòu)設(shè)計了由25條血管組成的網(wǎng)絡(luò)，整個過程僅用了幾分鐘。
隨后，研究團(tuán)隊使用冷明膠顆粒將血管網(wǎng)絡(luò)打印到環(huán)形結(jié)構(gòu)中，再加熱至37℃使明膠熔化，留下一個模擬血管1毫米寬的空心通道。研究人員持續(xù)向通道中泵入含氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的液體，以模擬正常血流。
一周后，與同樣沐浴在血液樣液體中且沒有植入血管的相同腎細(xì)胞環(huán)相比，該環(huán)形結(jié)構(gòu)的活細(xì)胞數(shù)量增加了約400 倍。
“我們能讓靠近血管的細(xì)胞存活。”Marsden說，但距離較遠(yuǎn)的細(xì)胞會死亡，因為目前尚無法打印向這些區(qū)域輸送營養(yǎng)的更細(xì)小、分支更多的血管。該團(tuán)隊正在探索解決這一問題的方法。
“他們無疑在突破可能性的邊界。”法國巴黎-薩克雷大學(xué)的Hugues Talbot說。這種方法或許有朝一日能讓科學(xué)家在數(shù)小時內(nèi)完成全尺寸器官的血管網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，而非數(shù)天或數(shù)周。“以這種方法設(shè)計的血管網(wǎng)絡(luò)，未來可能用于替代或至少補充在實驗室培育的器官。”
研究人員首先需要開發(fā)將這些血管網(wǎng)絡(luò)打印到大型器官中的方法。Marsden表示，如果進(jìn)展順利，他們希望5年內(nèi)在豬身上測試3D打印器官。
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