2026年8月13日，来自圣母大学航空航天与机械工程系的张彦亮（音译）教授团队开发出一种混合生物打印技术，能够制造直径小于10微米的毛细血管，比最细的人类头发还要细，这扫清了科学家在实验室培育器官道路上的一大障碍。
△（左）张彦亮副教授及其团队制造的毛细血管结构，通过荧光成像技术展示出来，被刊登在《Nature Chemical Engineering》杂志的封面之上。（右）张教授与博士生刘宇轩，本研究的主要作者。照片由 Wes Evard/诺德姆工程学院提供。
相关研究以题为“Hybrid bioprinting ofhierarchical vascular
networks at capillary-scale resolution”的论文被发表在《Nature Chemical
Engineering》杂志的封面报道上。这项研究得到了美国国立卫生研究院的支持。多个圣母大学的核心设施为这项研究的进行提供了必要的设备与人员支持：分析科学与工程核心设施、环境科学技术中心、圣母大学综合成像设施以及材料特性分析设施。
在美国，有超过 10 万人正在等待器官移植手术。每 10
分钟就有一名新的患者被添加到移植名单上。即使移植手术成功进行，接受移植的患者仍然需要服用免疫抑制药物，这会增加他们感染更广泛疾病的风险。此外，他们还需要终生遵循严格的生活方式，同时还要时刻担心自己的身体可能会排斥移植的器官。
几十年来，科学家们一直致力于使用患者自身的细胞来生物打印组织和器官，试图解决这一问题。然而，在实验室中培育出真正的器官却面临一个主要障碍：如何复制人体血管网络的规模和复杂性，尤其是毛细血管的结构。这些微血管贯穿每个器官，将氧气和其他营养物质输送给每一个活细胞，因此它们显然是任何有用的生物工程组织模型中的关键组成部分。
打印出能够模仿天然生物系统的血管是非常困难的，因为血管的大小各不相同。在保持可扩展性和结构完整性的同时，能够准确制造出最小的血管，仍然是当前生物打印技术中最难以解决的挑战之一。本研究中的新方法结合了两种独特的 3D 打印技术，并融入了机器学习技术，能够自动优化各种血管结构的打印参数。这种混合方法是由哈佛医学院及布里格姆妇女医院医学副教授Y.
Shrike Zhang
合作开发的。这套方法能够生成稳定的一维、二维和三维血管结构，随后这些结构可以被成功用活细胞进行填充。张教授说到：“我们在生物打印领域取得了重大突破。能够在生物打印中实现毛细血管级别的分辨率，是制造完全功能性的组织和器官的重要一步。”
要实现如此高的分辨率，就需要将两种互补的打印技术完美结合：首先，利用挤出打印技术逐层构建一种柔软的凝胶状支架，模拟真实组织。然后，利用气溶胶喷射打印技术（AJP）在支架内部沉积细小的明胶丝。最后，将整个系统浸入温水中，明胶液化并被冲洗掉，剩余的通道宽度从数百微米缩小到仅几微米不等。
△混合式生物打印机结合了两种打印方式：组织模拟的基质部分通过挤压式打印技术进行打印（左图），而基于明胶的牺牲材料则通过气溶胶喷射打印方式沉积（右图）。打印完成后，整个系统会被浸入温水中，此时基于明胶的牺牲材料会液化并脱落，留下在基质材料中精心排列的通道（图右端）。
采用鞘流技术进行流体动力聚焦是一种独特的 AJP 技术特点，它能够实现动态调整，并可以将通道尺寸从数百微米缩小到几微米，从而模拟自然血管的复杂结构。由于对墨水流速和鞘气流速进行微小调整就能影响打印出的通道最终尺寸，因此研究人员开发并集成了一个机器学习框架，以便能够高效地确定适用于特定通道尺寸的打印参数组合。机器学习是一种非常强大的工具，它帮助研究人员更快地找到最优的参数设置，相比传统的试错方法来说，效率大大提高。采用自动优化技术后，打印通道的质量和精度得到了显著提升。通过将各种打印技术结合起来，团队成功地在一维、二维和三维空间中构建了分层血管网络。随后，在选定的通道中植入了内皮细胞，这些细胞是构成人体血液和淋巴管的细胞。最终，形成了类似于活体组织中所见的单细胞层结构。
张教授说道：“我们非常高兴看到活细胞能够迅速附着在通道的内壁上，并扩散开来，最终实现了与真实人类毛细血管相同的屏障功能。这标志着我们的混合打印网络能够支持活体组织结构，而且不会造成泄漏。这真是向前迈出的一大步。”本研究提出的仿生组织模型为治疗方法的发现提供了有前景的途径，除了在再生医学和器官工程领域之外。通过精确模拟人类血管网络，甚至到最小的毛细血管层面，这样的平台可以成为新的“芯片上的器官”模型，用于测试药物的安全性和有效性。此外，使用患者特异性细胞来构建这些模型，为个性化医疗开辟了潜在的道路——在全面应用这些模型之前，可以先在模型系统内评估治疗效果。
研究团都目标是实现一种自主的、智能的生物打印机，能够制造出如心脏、肾脏和肝脏等完全功能性的组织和器官。短期内，他的研究团队与哈佛大学的合作者们获得了美国国立卫生研究院的新资金，这将有助于他们设计和制造出更强大的混合式生物打印机，进而实现实验室培育的器官制造。
最后，张教授表示：“有那么多人正在等待器官移植的机会，而能够在实验室中打印出器官的能力，有望通过帮助人们活得更长、更健康来改变他们的生活。我们不仅仅是在开发更先进的技術，更是在为器官移植和人类健康开辟一个新的未来。”
来源：南极熊
0 留言