当飞行员和宇航员翱翔蓝天时，他们的身体所处的环境远比地球上极端。为了更好地了解人类在这些极端条件下的反应，德克萨斯农工大学的研究人员在美国空军科学研究办公室的支持下，正利用活体肺细胞进行生物打印。他们的目标有两个：一是提高航空和航天飞行的安全性，二是加速呼吸系统疾病的研究和治疗。
在航空领域，高温、高压和低氧环境都会对人体造成损害。例如，海拔或气压的快速变化会导致肺部积液，而高温则可能引发中风、组织损伤甚至器官衰竭。传统的二维细胞培养无法模拟如此复杂环境下的细胞变化。而三维细胞模型则能更真实地展现人体细胞在压力下的行为，从而为更精准的测试铺平道路。
飞行员在飞行过程中会面临极大的身体挑战。（图片来源：空军中士托马斯·梅内金）
重现极端条件
为了精确模拟肺细胞对恶劣环境的反应，德克萨斯农工大学的研究团队需要高度控制的生物打印参数，以确保细胞的存活率。“即使是生物打印过程中微小的调整，也会对细胞的存活率和增殖产生显著影响，”文理学院教授秦洪民博士解释说，“通过微调这些参数，我们正在为组织工程领域的未来发展奠定基础。”
研究人员通过一系列针对性实验模拟了极端条件。在发表于《仿生学》（Biomimetics）杂志的一项研究中，研究团队改变了打印过程中的挤出压力。他们发现，更高的压力会导致更多的细胞死亡。在另一项发表于《生物工程》（Bioengineering）杂志的研究中，他们将3D打印的样本暴露于不同的温度下，最高温度达55°C。他们观察到，更高的温度会增加氧化应激并降低细胞存活率。秦教授指出：“压力和温度方面的研究结果凸显了采用精确技术来维持3D生物打印样本中肺细胞活力的必要性，并揭示了细胞如何应对环境压力。”
该团队还创造了一种优化的生物墨水配方：胶原蛋白和藻酸盐以4:1的比例混合，在六天内保持了令人印象深刻的85%的细胞活力，为未来的研究提供了有希望的基础。
3D打印肺模型在航空航天以外的应用
除了满足国防优先事项外，该项目还为医学研究提供了诸多机遇。通过构建逼真的3D打印肺细胞培养模型，该团队创建了一个平台，用于研究慢性阻塞性肺疾病（COPD）等呼吸系统疾病，并加速药物筛选进程。展望未来，该团队计划采用相同的方法按需生产生物工程组织。
实验设计概述，展示了挤压压力的影响。（图片来源：Taieba Tuba Rahman等）
这项研究是对其他领域已取得进展的补充。今年早些时候，加拿大安大略省麦克马斯特大学的研究人员开发了一种生物墨水，能够复制肺组织的弹性和延展性，使其特别适用于模拟慢性阻塞性肺病（COPD）和肺纤维化等疾病，以及进行毒性和药物反应测试。同样在今年，美国国土安全部科学技术司与维克森林再生医学研究所合作，利用3D打印的肺组织分析了有毒气体对人体健康的影响。这些项目共同表明，仿生3D模型正逐渐成为诊断、毒理学和治疗研发的实用平台。
来源：魔猴
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