3D生物列印：突破組織工程的限制，引領臨床前研究進展

循環系統和肺循環系統包含獨立的通道網絡，這些通道往往相互交織但不交叉。想要以生物相容性的材料創建此類結構一直是一項重大挑戰。今天要介紹有研究學者他們使用了食品級添加劑，來優化了的做生物墨水 (Bioinks) 的水膠，並成功使用3D生物列印機 (3D Bioprinter) 創建了多種脈管系統的模型，來模擬循環器官(例如肺泡)。使用3D生物列印機(在體外建立循環系統的模型，對於臨床研究來說是一個充滿前景的新興領域。

1.優化的水凝膠材料

使用PEGDA 6 kDa 20 wt%的水凝膠加上光敏性的檸檬黃 (為一種人工合成的偶氮類酸性低毒性的染料，主要用作食品、飲料、醫藥和日用化妝品的著色劑，具耐光性，因此可當作水膠光固化的交聯材料之一，且為親水性材料易被水洗掉不易殘留。)

在生物相容性和水性環境中製造這種多血管拓撲的能力為生物材料和組織工程帶來了巨大的潛力。

大型靜態混合器在工業生產中由於其複雜的 3D 拓撲結構具有廣泛的用途，將血管內靜態混合器轉化為微流體系統一直難以實現。因此，學者們使用集成靜態混合器生成整體式的水凝膠，使用 PEG 的水凝膠的彈性和順應性能夠輕鬆生成具有功能性的二尖瓣靜脈瓣。

2. 功能化血管肺泡的模型設計和生成

學者們接著設計了模擬血管交換氧氣的3D模型，如下圖可看到在通道入口處放入脫氧紅血球細胞，灌注氧氣後在通道出口處可偵測到高含量的SO₂和PO₂；且紅血球顏色從暗紅變成鮮紅色。

接著研究人員設計開發了有功能性的潮氣通氣和氧合的血管化肺泡模型，此模型可觀察到紅血球細胞具雙向流動，並能夠成功有效地為血液充氧的功能，且此模型具有承受超過10,000次通氣循環的能力，為未來肺模擬系統應用提供了巨大的潛力。讓我們來看精采的影片吧!

3. 充滿細胞的-器官晶片 (Organ chips)

作者們還關注水凝膠製劑與用於移植的活細胞和組織的生物相容性。研究人員將人臍靜脈內皮細胞（Human umbilical vein endothelial cell, HUVEC）注入水凝膠的植體內並植入有肝損傷小鼠體內。 結果發現，其肝臟再生指標之白蛋白啟動子活性增強了60倍之多，且植入物內(水凝膠載體)的相關標記也都有被偵測到，種種現象表示水凝膠載體是可被宿主組織和血液融合的。

4.結論

使用3D生物列印機，搭配生物墨水的開發，來製作具有功能性的擬真模型，提供了一種方法來解決組織工程中長期存在的設計限制，這些限制阻礙了臨床前研究的進展。

3D 生物列印技術在體外疾病建模方面具有諸多優勢，包括：

1. 能夠創建複雜的、生理相關的組織模型，比傳統的 2D 細胞培養方法更能模擬人體器官系統
2. 生產高度可重複和標準化的細胞模型及組織結構，提高實驗結果的準確性和可靠性。
3. 器官晶片可模擬實際體內細胞，作為藥物篩選的平台，能夠快速篩選多種化合物，並有可能在可預見的未來加速各種疾病新療法的開發

3D生物列印是一種非常具有價值的工具，它徹底改變了體外疾病建模領域，並有可能對新療法的開發產生重大影響!

參考資料：

Multivascular networks and functional intravascular topologies within biocompatible hydrogels. 2019.