组织工程领域面临的核心挑战之一是如何为人工构建的三维组织提供充足的血液供应。没有微血管网络的滋养，任何超过几百微米厚度的生物打印组织都将因为内部细胞缺氧而死亡。现在，美国圣母大学和哈佛医学院的研究团队在这一难题上取得了重大突破——他们开发了一种混合3D生物打印系统，成功制造出了接近人体毛细血管尺度的功能性微血管网络。该研究成果已发表在《自然·化学工程》（Nature Chemical Engineering）期刊上。
混合打印系统的创新设计
研究团队没有采用市面上现有的商用生物打印机，而是从头设计并搭建了一套定制化的混合打印系统。这套系统的核心创新在于将两种互补的技术融合在一起：挤出生物打印技术用于构建较大的组织结构框架，而气溶胶喷射打印技术则负责在框架内精确沉积微米级的血管通道。挤出打印可以处理高粘度的生物墨水材料，适合搭建稳定的宏观结构；而气溶胶喷射打印则可以将含有内皮细胞的生物墨水以极细的液滴形式喷射到指定位置，从而形成直径只有几十微米的微小血管管道。这种"宏观+微观"的双重打印策略，完美地解决了单一打印技术无法同时兼顾结构强度和打印分辨率的矛盾。
毛细血管级别的精准构建
在实验中，研究团队成功地打印出了内径在30-50微米之间的微血管网络——这已经接近了人体内最细的毛细血管的直径范围。更重要的是，这些微血管网络在打印后能够维持管状结构的完整性，并且可以在灌注培养条件下保持开放通畅。研究团队在血管内壁上种植了人脐静脉内皮细胞（HUVECs），这些细胞在培养过程中形成了完整的单层内皮衬里，展现出与天然血管相似的屏障功能。通过荧光标记和共聚焦显微镜观察，研究人员确认了营养物质可以通过这些3D打印的微血管网络扩散到周围的组织结构中，维持深层细胞的存活和正常代谢。
对组织工程的深远意义
这一突破对于整个组织工程领域具有里程碑式的意义。长期以来，科学家们已经能够3D打印出形状复杂的组织支架，甚至能够制造出包含多种细胞类型的人造组织，但这些组织无一例外地因为缺乏完整的微循环系统而无法长期存活。圣母大学和哈佛医学院的新方法为这一问题提供了可行的解决方案。研究团队的下一个目标是向微血管网络中引入周细胞和平滑肌细胞，构建更加成熟的血管壁结构，并尝试将血管化的组织结构植入动物体内进行长期观察。
从实验室到临床应用的前景
虽然从实验室成果到临床应用还有很长的路要走，但这项研究已经为多个医疗方向打开了可能性。在药物筛选领域，带有完整血管网络的3D打印组织模型可以更准确地模拟药物在人体内的代谢和输送过程，有望替代部分动物实验。在再生医学方面，血管化的组织工程构建物可以用于修复因缺血性疾病而受损的器官和组织。研究团队表示，他们正在与多家医疗机构接洽，计划在未来两到三年内开展血管化组织移植物在动物模型中的功能性验证实验。
气溶胶喷射技术的独特优势
气溶胶喷射打印（AJP）是一种相对较新的生物打印技术，其工作方式与传统的挤出生物打印有着本质区别。在AJP过程中，含有细胞的生物墨水先被雾化成微米级的液滴，然后通过惰性载气（通常为氮气）将液滴聚焦并喷射到基板上。由于液滴尺寸极小（可控制在10-50微米之间），AJP可以实现远高于挤出打印的定位精度和分辨率。圣母大学的研究团队在系统中集成了一个气动雾化器和一个聚焦喷嘴，通过精确控制气流速度和喷射角度，成功实现了在预先打印的凝胶支架内部逐层沉积微血管通道。研究团队发现，AJP的一个额外优势是打印过程中的细胞存活率极高——由于不涉及高温或高剪切力，超过90%的内皮细胞在打印后仍然保持活性和增殖能力。
未来的多器官芯片与个性化医疗前景
血管化的成功构建为生物打印开辟了一个全新的应用领域——多器官芯片。通过在微流控芯片上3D打印带有完整毛细血管网络的不同组织模型，并将它们通过流体通道连接起来，研究人员可以构建出一个体外的"人体微系统"，用于模拟药物在人体内的吸收、分布、代谢和排泄全过程。这将极大地提高药物筛选的准确性，并减少对动物实验的依赖。圣母大学的研究团队计划在下一阶段的工作中，尝试打印包含肝细胞、心肌细胞和肾细胞的多器官芯片，并以毛细血管网络作为各器官之间的物质交换通道。如果这一目标得以实现，将标志着组织工程从单一组织构建向复杂人体系统模拟的重大跨越。
来源：3D Printing Industry