编者：中喷网 墨宸
在美国，超过10万人正在等待器官移植，平均每10分钟就有一名新的候选人加入等待名单。即使移植手术成功，受者也必须终身服用免疫抑制药物，这会增加感染其他疾病的风险，同时还要面对身体随时可能排斥移植器官的威胁。几十年来，科学家们一直致力于利用患者自身细胞进行生物打印，以期解决这一难题。然而，实现实验室培育器官的一大障碍在于如何复制人体血管网络——尤其是毛细血管——的规模和复杂性。
近日，这一领域迎来重大突破。圣母大学航空航天与机械工程系先进材料与制造学院教授张彦良及其同事，与哈佛医学院和布莱根妇女医院医学副教授张宇（Y. Shrike Zhang）合作，开发出一种新型混合生物打印技术，能够制造出直径小于10微米的毛细血管网络——比最细的人类头发还要细。这项研究成果发表在《自然·化学工程》（Nature Chemical Engineering）杂志的封面文章上。
张彦良教授表示：“打印模拟自然生命系统的血管非常困难，因为血管大小不一。如何在不牺牲可扩展性和结构完整性的前提下，正确打印出最小的血管，一直是目前最先进的生物打印技术面临的最大挑战之一。”
这一突破的关键在于两种互补打印技术的完美融合。组织基质——一种模拟真实组织的柔软凝胶状支架——采用挤出打印技术进行打印，这是一种利用压力逐层挤出生物材料的广泛应用方法。基质的一部分打印完成后，再通过气溶胶喷射打印（AJP）技术将细小的明胶丝沉积在基质内部。气溶胶喷射打印利用鞘流进行空气动力学聚焦，能够动态调整并打印尺寸从数百微米到几微米的通道，从而模拟天然血管的多样化结构。打印完成后，将整个系统浸入温水中，去除液化的明胶基牺牲材料，从而在基质材料中留下精心排列的通道。
由于墨水流量和鞘气流速的微小变化都会影响最终打印通道的尺寸，研究人员开发并集成了一个基于受约束贝叶斯优化的机器学习框架，以高效地确定给定通道尺寸的最佳打印参数组合。实验结果显示，该方法可以在平均约8次优化迭代内找到满足目标线宽和打印质量要求的参数组合。
张彦良教授指出：“机器学习是一个非常强大的工具，与传统的试错法相比，它能帮助我们更快地找到最佳参数。引入自主优化技术极大地提高了打印通道达到预期质量和精度的效率。”
这种混合打印方法成功地在一维、二维和三维空间中构建了分级血管网络。随后，研究人员将内皮细胞——构成人体血管和淋巴管内壁的细胞——接种到选定的通道中。令人振奋的是，活细胞迅速附着并沿着通道内壁扩散，形成了连续的单细胞层，复制出真实人体毛细血管的屏障功能。
张彦良教授表示：“我们非常高兴地看到活细胞能够迅速附着并沿着通道内壁扩散，最终复制出真实人体毛细血管的屏障功能。这有力地证明了我们的混合打印网络能够支撑活体组织结构而不发生渗漏。”“我们在生物打印领域取得了重大突破，”他补充道，“在生物打印中实现毛细管尺度的分辨率，是构建功能齐全的组织和完整器官的重要一步。”
这类仿生组织模型为治疗药物的发现提供了一条充满希望的途径。这类平台能够精确模拟人体血管网络，甚至细小的毛细血管，因此可以作为新型的“芯片器官”模型，用于测试药物的安全性和有效性。此外，利用患者特异性细胞构建这些模型，为个性化医疗提供了一条潜在途径——在进行大规模治疗之前，可以在模型系统中评估治疗反应。
近期，张彦良教授的研究团队及其在哈佛大学的合作者已从美国国立卫生研究院（NIH）获得新的资助，用于设计和建造功能更强大的混合生物打印机，并继续推进实验室培育器官的研发。这项为期四年的项目初期将聚焦于肝脏——一个血管网络异常密集的器官。
张彦良教授的最终目标是研发一种自主智能生物打印机，用于生产功能齐全的组织和器官，例如心脏、肾脏和肝脏。“有太多人正在等待器官移植，而实验室器官打印技术有望通过帮助人类活得更长久、更健康来改变他们的生活，”张教授说，“我们不仅仅是在开发更先进的技术，更是在为器官移植和人类健康开辟新的未来。”
本研究得到了美国国立卫生研究院的支持。圣母大学多个核心设施的仪器和人员为这项工作提供了支持：分析科学与工程核心设施、环境科学与技术中心、圣母大学综合成像设施和材料表征设施。
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