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一种快速实现3D打印器官的方法

发布时间:2019-09-16 访问次数:230次 来源:增材之光 分享:

摘要:在美国,每天有20人在等待器官移植时死亡,但迄今为止,实验室培育的器官缺乏细胞密度、血管系统和使其成为可行替代物所需的功能。新的SWIFT方法通过将血管通道网络直接打印到活体器官构建块中来解决这些问题,从而能够创建接近器官大小和功能的组织,包括在7天内自行跳动的心脏组织。

在美国,每年有超过30,000例器官移植手术,目前有超过113,000名患者在等待器官移植。人工培育的人体器官被许多人视为解决器官短缺的“圣杯”,3D打印技术的进步导致了使用这一技术建立人体器官形状的活体组织结构的热潮。然而,迄今为止,所有3D打印的人体组织缺乏它们用于器官修复和替换所需的细胞密度和器官水平功能。

现在,一种叫做SWIFT(牺牲性的功能组织书写)的新技术被哈佛大学Wyss生物启发工程研究所和John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员发明,它克服了3D打印血管通道的主要障碍。由干细胞衍生的器官构建块(OBB)组成的活体基质,产生具有高细胞密度和功能的活的器官特异性组织。这项研究发表在《科学进展》杂志上。

这是一种全新的组织制造模式。SWIFT专注于打印支持含有大量OBB的活体组织构建所必需的血管,而不是试图3D打印整个器官的细胞,而最终可用于治疗以修复和替换人体器官,包含患者自身的细胞。

SWIFT涉及两个步骤,首先将数十万个干细胞衍生的聚集体,形成一个密集的活体OBB基质,每毫升含有约2亿个细胞。接下来,通过写入和去除牺牲油墨,将氧气和其他营养物质输送到细胞的血管网络嵌入到基质中。从这些OBB中形成一个密集的基质,一举两得:它不仅能达到类似于人体器官的高细胞密度,而且基质的粘度还能够在其中打印普遍存在的可灌注通道网络,以模仿支持人体器官的血管。

SWIFT方法中使用的细胞聚集体衍生自成体诱导的多能干细胞,其与定制的细胞外基质(ECM)溶液混合以制备通过离心压实的活体基质。在低温(0-4℃)下,致密基质具有蛋黄酱的稠度 - 足够柔软,可以在不损坏细胞的情况下进行操作,但厚度足以保持其形状 - 使其成为牺牲性3D打印的理想介质。在这种技术中,一个薄喷嘴移动通过这个矩阵,沉积一股明胶“油墨”,将细胞推开而不会损坏它们。

当冷基质被加热到37℃时,它会变硬,变得更固体(就像煮熟的蛋卷),而明胶油墨融化并被冲走,留下一个嵌入组织结构内的通道网络,可灌注含氧培养基滋养细胞。研究人员能够将通道的直径从400微米变为1毫米,并将它们无缝连接,形成组织内的分支血管网络。

使用SWIFT打印并以这种方式灌注的带有嵌入血管通道的器官特异性组织仍然是可行的,而没有这些通道生长的组织在12小时内其核心经历细胞死亡。为了观察这些组织是否显示出器官特异性功能,研究小组将分支通道结构打印、抽空并灌注到由心脏衍生细胞组成的基质中,并通过通道流动培养基超过一周。在此期间,心脏OBB融合在一起,形成一个更坚实的心脏组织,其收缩变得更同步,并且强度超过20倍,模仿了人类心脏的主要特征。

   SWIFT生物制造方法非常有效地从原始细胞聚集体到干细胞衍生的类器官的OBB中大规模地创建器官特异性组织。通过将干细胞研究人员的最新进展与我实验室开发的生物打印方法相结合,相信SWIFT将极大地推动全球器官工程领域的发展。

用血管通道支持活体人体组织的能力,是朝着在体外创造功能性人体器官的目标迈出的巨大一步。我们仍然对詹妮弗实验室的成就印象深刻,包括这项研究,它最终有可能极大地提高器官工程和自身器官衰竭患者的寿命。

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