Science：开发出设计和三维打印复杂血管树的新工具

美国器官移植等待名单上超过100000人，部分患者需等待数年才能获得器官——有些人可能在等待期间死亡。即使匹配成功，受者仍可能发生器官排异反应。为缩短等待时间并降低排异风险，再生医学研究者正开发用患者自身细胞按需制造个性化心脏、肾脏、肝脏等器官的技术。‌

确保氧气和营养物输送到新生器官的每个部分是一个持续存在的难题。在一项新的研究中，来自斯坦福大学的一个研究团队开发了新的工具来设计和三维打印极其复杂的血管树，这些血管树在整个器官中输送血液所必需的。他们的平台生成的设计与我们在人体中看到的相似，比以前的尝试要快得多，并且能够将这些设计转化为三维打印机的指令。相关研究结果发表在《科学》杂志上。

论文共同通讯作者Alison Marsden解释说，“生物打印组织的规模化受限于血管生成能力——缺乏血液供应就无法扩大组织规模。我们的血管生成算法比先前方法快约200倍，且能适配心脏等复杂器官的形态。”

器官级血管网络

当血液被泵送到身体的某个器官时，它会从大动脉流向越来越小的分支血管，在那里它可以与周围的组织交换气体和营养物。在大多数组织中，细胞需要在血管的一根头发宽度内才能存活，但在像心脏这样需要代谢的组织中，这种距离甚至更小——在一毫米大小的立方体中可能有超过2500根毛细血管。所有这些微小的血管最终在离开器官之前重新连接在一起。

这些血管网络不是标准化的；器官有很多形状，即使在两个大小相似的心脏之间也有很多变化。到目前为止，生成一个适合独特而复杂器官的真实血管网络模型一直很困难，而且非常耗时。许多科学家转而依赖于标准化的晶格，这在小型工程组织模型中效果很好，但不能很好地扩大规模。

Marsden和她的同事们建立了一个算法来构建非常接近于模拟天然器官血管结构的血管树，并通过他们的SimVascular开源项目将该软件提供给任何人使用。他们结合了流体动力学模拟，以确保这一血管系统能够均匀地分配血液，并成功缩短生成血管网络所需的时间，同时仍然避免血管之间的碰撞，并创建一个具有单一入口和出口的闭环。

论文共同第一作者Zachary Sexton说，“我们花了大约5个小时来生成一个树的计算机模型，使人类心脏血管化。我们能够达到这一模型中任何细胞距离最近的血管约100到150微米的密度，这非常好。”该设计包含一百万个血管。“这项任务以前从未完成过，如果使用以前的算法，可能需要几个月的时间。”

虽然三维打印机还不能完成打印如此精细和密集的血管网络的任务，但是研究人员能够设计和打印具有500个分支的血管模型。他们还测试了一个更简单的版本，以确保它能保持细胞存活。

研究人员使用使用活细胞而非树脂或金属进行打印的三维生物打印机，制作了一个富含人类胚胎肾细胞的厚环，并在其中构建了一个由25条血管贯穿其中的网络。他们向该网络中泵入富含氧气和营养物的液体，并成功使大量细胞在血管网络附近保持存活。

论文共同通讯作者Mark Skylar-Scott说，“我们证明这些血管可以被设计、打印，并且能够维持细胞存活。我们知道还需要加快打印速度，但现在我们拥有了一条高效生成不同血管树的管道，并制定了一套打印它们的指令。”

生物打印心脏

研究人员很快注意到，这些血管网络还不是功能性血管——它们是通过三维基质打印出来的通道，但它们没有肌肉细胞、内皮细胞、成纤维细胞或其他任何它们需要自己发挥功能的东西。

论文共同第一作者Dominic Rütsche说，“这是生成真正复杂血管网络的第一步。我们可以以前所未有的复杂程度打印它们，但它们还不是完全生理性的血管。我们正在努力实现这一点。”

将这些设计转化为功能性血管只是Skylar-Scott及其同事在生物打印功能性人类心脏过程中所关注的众多方面之一。他们还在探索如何促进最微小的血管——那些过于细小或间距过密而无法打印的血管——自行生长，提升三维生物打印机的性能以实现更快更精准的打印，并培养出打印整个心脏所需的大量细胞。

Skylar-Scott说，“这是整个过程中至关重要的一步。我们已成功从人类干细胞中生成足够的心脏细胞来打印整个人类心脏，现在我们可以设计一个复杂的血管网络来维持细胞的营养供应和存活。我们正在积极以器官级别的规模将细胞和血管网络结合。”（生物谷Bioon.com）

参考文献：

Zachary A. Sexton et al, Rapid model-guided design of organ-scale synthetic vasculature for biomanufacturing, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adj6152.