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Nature子刊新技术:烧结产生3D血管网络结构!

来源:本站原创 2020-07-02 13:19

2020年7月2日讯 /生物谷BIOON /——在莱斯大学的一份配方中,糖粉是一种特殊的成分,可以在实验室培养的组织中模仿人体复杂的分支血管。

在近日发表在《自然生物医学工程》(Nature Biomedical Engineering)杂志上的一项研究中,莱斯大学的生物工程师们展示了他们可以通过3d打印的糖模板创建复杂的血管网络,让密集排列的细胞在相对较大的结构中存活两周。

"临床相关组织工程的最大障碍之一是用数亿活细胞包装一个大的组织结构,"该研究的第一作者Ian Kinstlinger说,他是莱斯大学Brown工程学院的生物工程研究生。"将足够的氧气和营养物质输送到这么大的组织中所有的细胞是一个巨大的挑战。"

Kinstlinger解释说,大自然通过复杂的血管网络的进化解决了这个问题,这些血管网络编织在我们的组织和器官中,让人想起树枝的图案。同时,血管的厚度会变小,但数量会增加,因为它们从中央主干分叉,使氧气和营养物质能够有效地输送到全身的细胞中。

图片来源:Brandon Martin Rice University

Kinstlinger说:"通过开发模仿自然血管网络的新技术和材料,我们离这一点越来越近,我们可以向足够数量的细胞提供氧气和营养,以获得有意义的长期治疗功能,"

糖模板是在莱斯大学生物工程助理教授Jordan Miller的实验室用一种开源的、改良的激光切割机3d打印的。

"我们在这里开发的3d打印工艺就像制作一种非常精确的焦糖布丁," Miller说,他最初的灵感是一种复杂的甜点。

Miller说,这种复杂、详细的结构是通过选择性激光烧结实现的,这是一种将微小的粉末颗粒熔合成立体物体的3d打印工艺。与更常见的挤压3-D打印,熔化的材料线通过喷嘴沉积不同,激光烧结的工作方式是在干燥粉末的填充床上轻轻熔化和熔合小区域。他说,挤压和激光烧结都能一次形成一个的三维形状,但激光方法能产生在挤压时容易坍塌的结构。

"有一些特定的结构--比如悬空结构、分支网络和多血管网络--你真的不能用挤压打印做得很好,"Miller说,他在宾夕法尼亚大学博士后研究期间用3d挤压打印机演示了糖模板的概念。Miller在2013年加入莱斯大学后不久就开始研究激光烧结方法。

他说:"选择性激光烧结给了我们在所有三个维度上更多的控制,使我们能够在保持糖材料实用性的同时轻松获取复杂的拓扑结构。"

糖在制造血管模板时特别有用,因为它在干燥时耐久,而且它能在不损害附近细胞的情况下迅速溶解在水中。为了制造组织,Kinstlinger使用一种特殊的糖混合物来打印模板,然后在打印的糖网络周围填充液态凝胶中的细胞混合物。在几分钟内,凝胶就会变成半固态,然后糖被溶解并冲走,为营养和氧气留下一个开放的通道。

"这种方法的一个主要好处是我们可以快速生成每个组织结构,"Kinstlinger说。"我们可以在五分钟内制造出一些最大的组织模型。"

Miller说,这项新研究回答了两个重要的问题:什么样的糖可以烧成连贯的结构,什么样的计算算法可以推导出复杂的分支结构来模拟那些在自然界发现的结构?

该研究中生成树状血管建筑的计算算法是与神经系统设计工作室合作创建的,该工作室利用计算机模拟制作独特的艺术品、珠宝和家庭用品,灵感来自于自然界的图案。

图片来源:Jeff Fitlow Rice University

神经系统公司的联合创始人和创意总监,同时也是该研究的合着者Jessica Rosenkrantz说:"我们利用受自然启发的算法来为组织创建功能性网络。因为我们的方法是基于算法的,所以有可能为不同的用途创建定制化的网络。"

在用这些计算生成的血管结构创建组织模型后,该团队演示了在通道内植入内皮细胞,并集中研究生长在周围组织中的细胞的存活和功能,包括啮齿类动物的肝细胞。肝细胞实验是与华盛顿大学(UW)生物工程师和研究合着者Kelly Stevens合作进行的,Kelly Stevens的研究小组专门研究这些脆弱的细胞,众所周知,这些细胞很难在体外维持。

Stevens说:"与许多其他生物印刷技术相比,这种方法可以用于更广泛的混合材料的打印。这使得它的用途非常广泛。"

Miller说:"我们证明了通过三维血管网络的灌注使我们能够维持这些大的肝样组织。尽管在维持肝细胞功能方面仍存在长期的挑战,但能够产生大量组织并在足够的时间内维持这些细胞以评估其功能是令人兴奋的进步。" (生物谷Bioon.com)

参考资料:


Generation of model tissues with dendritic vascular networks via sacrificial laser-sintered carbohydrate templates, Nature Biomedical Engineering (2020). DOI: 10.1038/s41551-020-0566-1 ,
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