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3D生物打字与印刷向人造器官移植迈出一大步,三

发布时间:2019-12-15 15:19编辑:生命科学浏览(121)

    逆天了!3D打印机可“产出”器官、组织和骨骼 图片 1

    3D生物打印向人造器官移植迈出一大步 图片 2

    美国维克弗斯特大学的科学家们表示,他们业已找到一种方法让3D打印机产出的骨骼、肌肉和软骨组织实现血液的流动,并让细胞得以生长,未来就可以打印出鲜活的组织供病人移植所用。据合众社报道,维克弗斯特大学再生医学研究所近10年来一直在研发组织和器官的整合打印系统,使用类塑料材质来塑造组织,运用水基凝胶来为组织递送鲜活的细胞。

    研究人员在新一期英国《自然·生物技术》杂志上报告说,他们利用新开发的3D生物打印系统打印出的人造耳朵、骨头和肌肉组织,移植到动物身上后都能保持活性。这项技术未来发展成熟后,可能解决人造器官移植难题。

    科学家们认为3D打印机目前虽已打印出一些器官,但面临的最大挑战是如何让打印出的器官的通道成为静脉和动脉,从而让血液可以在这些打印出的各种组织中流动,让细胞可以在这些组织中生长。

    当前,3D生物打印技术打印出来的器官组织通常在结构上非常不稳定、过于脆弱,无法用于外科移植手术;并且由于这些成品缺乏血管构造、尺寸也偏小,即便移植,器官也不容易获取氧和营养物质,很难存活。

    维克弗斯特大学的科学家们解决这一难题的最新研究成果发表于《自然生物技术》。这些科学家们使用生物降解塑料来构建组织的外形,使用水基凝胶来包含细胞,这样就可以使用临时的外部结构来维持所需打印的组织的外形。

    针对上述问题,美国韦克福雷斯特大学再生医学学院的研究团队改进了现有3D生物打印技术,开发出“组织和器官集成打印系统”。这一新开发的3D生物打印系统,可将含有活性人体或动物细胞的水基凝胶与可生物降解的聚合材料结合作为打印材料,有助于人造器官形成稳定结构。

    科学家们将打印出来的器官移植给小鼠,数周至五个月内就可以看到这些组织出现了血管,并会持续生长,与此同时,这些小鼠显得相当健康。这说明生物墨水和微通道的结合为细胞的存活提供了适宜的环境,并且可以支撑细胞和组织的生长。

    这一系统还能在人造器官中打印出许多类似血管的微小通道。器官组织移植到动物身上后,可通过这些通道获取氧和营养物质,这是保证器官移植后存活的关键。一段时间后,血管会逐渐在人造器官中生长,取代微型通道。

    截至目前,科学家们尚没有把任何打印出身体部件用于人体实验,安全测试和临床测试都没有进行,但研究人员表示未来将会考虑将各种打印出的经过充分生长的组织用于需要器官移植的病人。

    为验证效果,研究人员将打印的人造耳朵、肌肉纤维和颚骨移植到小鼠身上。一段时间后,这些人造器官组织都成功存活下来,并长出了血管和神经等结构。

    报告作者之一、韦克福雷斯特大学再生医学学院学者安东尼·阿塔拉说,将两种材料结合的打印过程以及组织结构中的微小通道,为人造器官中的细胞存活、组织生长提供了适当环境。

    ITOP的另一个优势是,能够通过计算机断层扫描及核磁共振成像技术为患者“量身定制”要移植的器官组织。比如一个患者需要接受耳朵移植,这一系统能够根据成像数据打印出尺寸合适的人造耳朵供移植。

    研究人员说,他们在试验中使用过人类细胞及兔子、老鼠等动物的细胞进行人造器官组织打印,都取得了不错的效果。目前,这项技术还处于早期试验阶段,需进一步改善,以便未来能用患者的细胞打印出真正可用于外科移植手术的人造器官。

    可能有不少人想过:要是进医院跟进4S店一样就好了,能修的修,修不好了直接换掉,省心省事杜绝后患。这非但不是痴人说梦,还有可能是今后医学的发展方向。美国北卡罗来纳州维克森林大学医学院的科学家开发出一种改进版的生物打印机。据称用它能打印人体尺寸的、具有一定机械强度的、多种形状的人体组织。

    3D生物打印机,是一种以生成具有功能性的组织和器官为目标,可以把细胞按分层图样打印的机器。不过,此前很多此类打印产物在结构上均不够稳定,无法用于外科手术植入。此外,还有一些打印出的组织缺乏血管,而且受营养物质和氧气扩散条件的限制,尺寸最大只能做到200微米左右,对临床而言几乎毫无意义。

    一篇发表在《自然-生物技术》杂志网站上的论文称,为了解决上述问题,维克森林大学医学院的安东尼·阿塔拉和他的研究团队进行攻关。把细胞和可生物降解的聚合物材料一起打印,聚合物材料在新形成的组织成熟之前,提供了机械强度,解决组织的强度问题;借助微通道技术,养分和氧气可被输送到人工组织任何部位的细胞中,克服了尺寸的限制,打印出了足够大的组织。

    实验中,研究人员还测试了如何按不同患者的个体需求定制打印不同形状的构建体。他们使用临床成像技术生成缺损组织的三维电脑模型,以此引导打印机的喷嘴对细胞进行分配。

    研究人员称,这项研究探索了新的生物打印机用人、兔子、大鼠和小鼠的细胞打印骨骼,以及软骨和骨骼肌的能力。虽然目前还需要更多的研发才能让这个打印机打印出的组织适合给患者移植,但不管怎样,这项研究扫清了个性化组织定制和器官移植的多个技术障碍,为今后的技术进步铺平了道路。

    当我们还在思考3D打印是否只是一个概念时,它已用让人们大跌眼镜的速度进入到诸多领域并开始“实战”应用,甚至到了“只有我们想不到,没有科学家做不到”的地步。此前,已有通过3D打印技术为肌肉损伤患者制造定制化护具的先例,而这一次美国科学家通过改进版生物打印机,直接打印出了身体骨骼和肌肉。未来,人类会不会像《汽车总动员》里那些有生命的汽车一样,随时到4S店更换掉破损或老化的“零件”?我想说:一切皆有可能。

    据EngadgetUK网站报道,3D打印技术不仅是为玩具和模型所用,美国韦克福里斯特大学再生医学研究所的医生昨天宣布他们成功的打印了“活体”组织和器官,后者在植入动物体内后功能正常。

    由安东尼•阿塔拉带领的科研小组因打印人类膀胱的基本建构单元而闻名。但现在他们到达了另一个新高度:他们表示打印针对人类的更大更强的结构是可能的。据期刊《自然》表示,目前他们已经打印了肌肉结构、骨骼和耳朵组织。这一技术或可能革命化我们获得外科手术替代品的方式,并将很多科幻生物技术场景变为现实。

    这项发现的核心在于集成器官和打印系统,它与我们所见过的任何3D打印机都有所不同。它使用“生物降解、类似塑料的材料”形成组织的形状,以及水溶性油墨连接细胞和一系列微通道以保证氧气和营养物质的流通。这一目的在于让强大的组织更有效的集成进入动物和人类体内。

    当然,有关3D打印器官的新闻已经存在很多年,但这项发现引人注目的方面有好几点。阿塔拉的研究小组利用ITOP打印人类耳朵并植入了老鼠皮肤,这一组织在两个月的时间内长出了软骨和血管。研究人员还在老鼠体内植入肌肉组织和头盖骨方面取得了相似的进展。以这样的发展速率,很快我们就可能可以见证人体试验。

    用一台打印机制造一只耳朵,这种只在电影中见到的场景如今已经发生在我们周围。2016年2月15日,来自美国北卡罗莱纳州维克森林大学再生医学研究所的科学家们称,他们已经创建了一台可以制造器官、组织和骨骼的3D打印机,而这些通过3D打印机打印出来的器官、组织和骨骼能够直接植入人体。这一成果已于当日发表在科学杂志《NatureBiotechnology》上。

    论文称,与大多数3D打印机一样,科学家们此次研发的3D打印机的喷嘴依靠计算机控制,以一种非常精确的模式逐层挤出沉积材料。这些沉积材料最终会硬化,并生成任何想要的对象,不过,与其他3D打印机使用熔融的塑料或者金属材料不同的是,这款3D打印机挤出的主要是含有人体细胞的水凝胶。

    实际上,该3D打印机拥有多个喷嘴,一些挤出水凝胶,还有一些则挤出可生物降解材料,用来给打印出来的组织提供结构和强度支持。当辅助材料溶解和组织在机器中完成孵化时,它就有可能植入人体。研究人员先对人耳、下颚骨、肌肉进行3D扫描,从而创建数字模板,然后打印出一块耳形的软骨、一块肌肉和一块下颌骨,并把它们植入小鼠体内。

    3D打印器官是目前生物3D打印界的终极目标之一,事实上,很早以前,研究人员就已经在实验室里培植人体器官,但是直到上世纪90年代,“生物打印”才突然引起人们的关注。2007年,第一家生物打印公司Organovo成立,这家公司打印的肝脏组织样本用于药物测试和研究,该公司希望能够在不远的将来开发出一种能够正常使用的肝脏。

    虽然打印人体器官在目前看来不是难事,但一个不可否认的事实就是:当3D打印的器官放置于人体以后,如何与人体真正的细胞相融合,而且如何发挥出真正器官的功效?到目前为止,在3D打印器官方面,出现了很多“半成功”的案例。我们之所以说“半成功”,是因为它们大多数都无法正常工作,或者仅仅只能存活几天时间。如何克服存活难题将是3D生物打印技术核心的问题之一。

    从全球来看,生物3D打印的前景比较广阔,目前生物3D打印技术已经在主动脉瓣、种植手术导板、人工下颚等领域得到应用。血管打印已初步实现,其最终目的是实现活体器官的打印。但是,人体是一个复杂的系统,无数细胞每天在以我们不能充分理解的神秘方式生长、愈合和变化,我们还没有解码细胞之间是如何传递的,尽管科学研究可以将细胞以完美的形状放在支架上的正确位置,但是仍然没有人准确地知道如何“启动”种子细胞,现有的生物3D打印只是刚刚开了个头,未来生物3D打印技术的道路还有很长的一段路要走。

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