在体外培育功能性人体器官是器官移植医学领域长期以来寻求的“圣杯”，但至今仍未实现。哈佛大学威斯生物启发工程研究所和约翰·A·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的最新研究使这一探索更接近完成。

一组科学家发明了一种新方法，可以3D打印血管网络，这种血管网络由相互连接的血管组成，血管具有独特的“外壳”，由平滑肌细胞和内皮细胞组成，围绕着一个空心“核心”，液体可以通过这个“核心”流动，嵌入人体心脏组织内。这种血管结构与自然血管非常相似，代表着在制造可植入人体器官方面取得了重大进展。

“在之前的工作中，我们开发了一种新的3D生物打印方法，称为‘功能组织中的牺牲性书写’(SWIFT)，用于在活细胞基质内图案化空心通道。在此基础上，我们在此方法的基础上引入了同轴SWIFT(co-SWIFT)，它重现了天然血管中的多层结构，使其更容易形成互连的内皮，并且更坚固以承受血流的内部压力，”第一作者PaulStankey说道，他是SEAS的研究生，在共同资深作者和Wyss核心教员JenniferLewis的实验室工作，理学博士。

该团队开发的关键创新是一种独特的芯壳喷嘴，它具有两个独立可控的流体通道，用于构成打印血管的“墨水”：基于胶原蛋白的壳墨水和基于明胶的核心墨水。喷嘴的内部核心腔略微延伸到壳腔之外，因此喷嘴可以完全刺穿先前打印的血管，以创建互连的分支网络，通过灌注为人体组织和器官提供足够的氧气。通过改变打印速度或墨水流速，可以在打印过程中改变血管的大小。

为了确认新的co-SWIFT方法有效，该团队首先将多层血管打印到透明颗粒状水凝胶基质中。接下来，他们将血管打印到最近创建的uPOROS基质中，该基质由多孔胶原基材料组成，可复制活体肌肉组织的致密纤维结构。他们能够在这两种无细胞基质中成功打印分支血管网络。打印这些仿生血管后，加热基质，导致基质和壳墨水中的胶原蛋白交联，牺牲明胶芯墨水融化，使其易于去除，从而形成开放、可灌注的血管系统。

研究团队转向了与生物关系更为密切的材料，他们使用注入了平滑肌细胞(SMC)的贝壳墨水重复了打印过程，平滑肌细胞是人体血管的外层。在融化明胶核心墨水后，他们将构成人体血管内层的内皮细胞(EC)灌注到血管系统中。灌注七天后，SMC和EC都活着并发挥血管壁的作用——与没有EC的血管相比，血管的通透性降低了三倍。

最后，他们准备在活体人体组织内测试他们的方法。他们构建了数十万个心脏器官构建块(OBB)——跳动的人类心脏细胞的微小球体，这些细胞被压缩成致密的细胞基质。接下来，他们使用co-SWIFT在心脏组织上打印了一个仿生血管网络。最后，他们去除牺牲核心墨水，并通过灌注将EC接种到载有SMC的血管内表面，并评估其性能。

这些打印的仿生血管不仅显示出人体血管特有的双层结构，而且在用模拟血液的液体灌注五天后，心脏OBB开始同步跳动——表明心脏组织健康且功能正常。这些组织还对常见的心脏药物有反应——异丙肾上腺素使它们跳动得更快，而布雷比他汀则阻止它们跳动。该团队甚至将真实患者左冠状动脉的分支血管模型3D打印成OBB，展示了其在个性化医疗方面的潜力。

“我们能够根据来自真实患者的数据，成功3D打印出左冠状动脉血管模型，这证明了co-SWIFT在创建针对特定患者的血管化人体器官方面的潜在效用，”Lewis说道，他同时也是SEAS生物启发工程的HansjörgWyss教授。

在未来的工作中，刘易斯团队计划生成自组装毛细血管网络，并将其与3D打印的血管网络相结合，以在微观尺度上更全面地复制人体血管的结构，并增强实验室培育组织的功能。

“说在实验室中设计功能性活体人体组织很困难，这还只是轻描淡写。我为这个团队表现出的决心和创造力感到骄傲，他们证明了他们确实可以在活体、跳动的人类心脏组织中构建更好的血管。我期待他们继续取得成功，有朝一日将实验室培养的组织植入患者体内，”Wyss创始董事DonaldIngber医学博士、哲学博士说道。Ingber还是HMS和波士顿儿童医院的JudahFolkman血管生物学教授以及SEAS的HansjörgWyss生物启发工程教授。

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