哈佛大學開發新型墨水寫入技術生物3D打印大型血管化人體器官
通過增材制造減少移植等待時間
據研究人員稱，在美國，每天約有20人死于器官移植。雖然現在每年進行超過30,000例移植手術，但目前有超過113,000名患者正在等待器官。為了解決這種器官短缺問題，科學家們將他們的希望寄托在人造器官上。
組織工程是一個快速發展的領域。 3D打印的進步已經導致使用該技術來構建人體器官形狀的活組織構造的繁榮。由患者特異性誘導的多能干細胞衍生的類器官組成的器官構建塊提供了獲得具有必需的細胞密度，微結構和功能的組織的途徑。然而，迄今為止，很少關注它們組裝成3D組織結構。通過將血管通道3D打印由干細胞衍生的OBB組成的活體基質，該團隊的SWIFT技術克服了這一主要障礙，并產生具有高細胞密度和功能的活的器官特異性組織。 “這是一種全新的組織制造模式。”Wyss研究所研究員Mark Skylar-Scott博士說。“不僅僅是試圖3D打造一個整體的細胞，SWIFT的焦點是生物3D打印一個支持生活的組織構造，其中包含大量的OBBS，可以最終用于修復和替換人類組織的實驗室 ，包含患者自己細胞的成長版本。“
使用薄噴嘴模擬器官脈管系統，將由紅色，基于明膠的“墨水”通道的分支網絡3D打印成由數百萬個細胞（黃色）組成的活體心臟組織構建體。照片來自哈佛大學威斯學院。
SWIFT生物制造SWIFT是一個兩步生物制造過程，首先將數十萬個這些OBB組裝成具有高細胞密度的活體基質，形成密集的OBB生命矩陣。每毫升含有約2億個細胞，用于SWIFT的OBB基質也必須表現出所需的自愈性粘塑性行為。
在第二步中，通過嵌入式生物3D打印將可灌注血管通道嵌入基質內。構建的血管網絡允許氧氣和其他營養物質通過，將這些重要物質傳遞給細胞。“從這些OBB中形成一個密集的基質，一舉兩得：它不僅能達到類似于人體器官的高細胞密度，而且基質的粘度還能夠在其中印刷普遍存在的可灌注通道網絡，以模仿支持人體器官的血管。“SébastienUzel博士補充道，他是Wyss研究所和SEAS的研究助理。
如何打造一顆跳動的心臟
SWIFT方法中使用的細胞聚集體來自成體誘導的多能干細胞。與定制的細胞外基質（ECM）溶液混合，形成通過離心壓實的活體基質。在低溫（0-4℃）下，致密基質具有蛋黃醬的稠度。柔軟到足以在不損壞細胞的情況下進行操作，矩陣仍然足夠厚以保持其形狀 ，是3D打印的理想媒介。在這種技術中，一個薄噴嘴移動通過這個矩陣，沉積一股明膠“墨水”，將細胞推開而不會損壞它們。
加熱到37°C，冷基質逐漸變硬，變得更堅固。隨著溫度升高，明膠油墨熔化并可以洗掉。這留下了嵌入組織構建體內的通道網絡，其可以用氧合培養基灌注以滋養細胞。研究人員能夠將通道的直徑從400微米變為1毫米。 3D打印通道可以無縫連接以在組織內形成分支血管網絡。
沒有SWIFT印刷通道的組織在培養12小時后（左側）在其核心中顯示細胞死亡（紅色），而具有通道的組織（右）具有健康細胞。照片來自哈佛大學威斯學院。
SWIFT治療應用的未來
為了確定組織是否顯示器官特異性功能，團隊3D打印和灌注分支通道結構到由心臟衍生細胞組成的基質中。在制造心形結構之后，介質通過通道飛行超過一周。在此期間，心臟OBB融合在一起以形成更堅固的心臟組織。收縮變得更加同步，強度超過20倍，模仿了人類心臟的關鍵特征。
在未來，該團隊設想采用新協議，提供創建更成熟，微血管化OBB的途徑。與Wyss Institute教員波士頓大學的Chris Chen博士和麻省理工學院的Sangeeta Bhatia博士正在進行合作。
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