浙江大学的研究人员成功在人体外构建了仿生肺泡，可以复制人类呼吸的过程。如何模拟体内肺泡的各种变形?如何用合适的材料构建气液界面?这些仍然是体外肺泡模型构建中需要解决的问题。

课题组受剪纸启发，设计了一种新型仿生可控应变膜(BCSM)来模拟肺泡基底膜，实现气血屏障和仿生呼吸，用于细胞机制研究和药物筛选。

该研究发表在《国际极限制造杂志》(IJEM)上，详细介绍了创建肺泡基底膜结构和仿生肺单位模型的方法，可以模拟人类呼吸的正常和异常状态。该研究在促进新药开发、了解肺泡发育和确定疾病靶标方面具有巨大潜力。

“慢性呼吸道疾病位居全球四大慢性病之列，肺病新疗法的研发意义重大且有价值。但新药研发过程充满挑战，风险高、周期长、成本高“目前的关键问题是如何降低研发成本、提高成功率、设计新的药物评价方法。”浙江大学何勇教授说。

肺泡微生理系统是一种突破性的科学工具，可以在体外复制人体主要呼吸单位肺泡的结构。“该系统提供了一个更准确地反映人体生理学的模型，有望弥合临床实验和动物实验模型之间的差距。这将能够更精确地模拟人体内的生物过程，”李元荣博士说，该论文的第一作者。

肺泡主要由肺泡上皮细胞、基底膜和毛细血管组成，在呼吸过程中经历各种形状变化。李说：“虽然肺泡微生理系统取得了重大进展，但用于构建肺泡基底膜和控制肺泡不同变形的合适生物材料仍然缺乏。”

受剪纸艺术的启发，研究团队设计了一种在聚己内酯(PCL)拓扑网格表面上涂有GelMA的仿生基底膜。PCL网格由圆形和波浪构成。当仿生基底膜被激活时，圆圈的形状保持不变。

波的弧度越大，被拉伸的波的变形越大，因此波附近的水凝胶的变形也越大。通过改变不同曲率的波，可以控制整个仿生基底膜的变形。

通过材料优化，研究团队选择了与肺泡细胞外基质(ECM)硬度相匹配的GelMA浓度。GelMA中含有的精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)配体有助于细胞粘附并营造更有利的肺泡微环境。此外，GelMA涂层能够在气液界面培养细胞，模拟人体气血屏障。

“这种结构设计对我们来说非常令人兴奋，因为它不仅可以用于模拟肺泡呼吸，还可以用于需要控制局部变形的其他场景，”李说。研究团队通过数值模拟和电池实验验证了这种复合材料设计的有效性。

在研究的最后阶段，研究小组采用肺泡微生理系统来模拟机械通气引起的肺损伤。随后，他们使用洛匹那韦/利托那韦作为缓解呼吸机引起的肺损伤相关症状的方法。

肺泡微生理系统代表了生物学、医学和工程学的创新融合，有可能改变基础生物学、生理学、药理学、毒理学和药物发现等一系列科学学科。这些系统的仿生基底膜和生物反应器的开发已经取得了重大进展。

何教授说：“展望未来，重点应该放在创建不仅与生理相关，而且用户友好、可重复且具有成本效益的工具，以便为更广泛的科学界提供切实的利益。”

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