哈佛大学开发 3D 打印血管新方法，应用效果接近人体器官

2024年9月19日，南极熊获悉，来自哈佛大学Wyss 研究所的科学家开发出一种新方法，可以 3D 打印出类似人体血管的复杂结构。通过与约翰·A·保尔森工程与应用科学学院(SEAS) 合作，研究团队在创建功能性、可植入的实验室培养器官的探索中迈出了重要一步。

这项新技术称为同轴 SWIFT（co-SWIFT），可以生成嵌入人体心脏组织的血管网络。这些网络的特点是中空的“核心”被平滑肌和内皮细胞的“外壳”包围，模仿血管的自然结构。

此外，这项创新建立在之前的生物打印技术 SWIFT 的基础上，该技术使科学家能够在活体基质中打印空心通道。SWIFT 于 2019 年开发，是一项突破，因为它使研究人员能够在活体基质中打印空心通道，在充满活细胞的类似组织的材料内创建通道。这些空心通道对于模拟血管的基本结构很重要，为营养物质和液体流过组织提供了途径。然而，这些通道只是简单的空心空间，缺乏使真正的血管坚固并能够应对血压环境的层结构。

据科学家介绍，co-SWIFT 不仅创建了空心通道，还增加了多层结构，以反映人体中的真实血管，从而将其提升到了一个新的水平。使用 co-SWIFT，3D 打印的血管有一个核心，液体可以在其中流动，周围是一层由平滑肌和内皮细胞制成的外壳。正是这个外壳使血管更加强大，使它们更像天然血管。通过添加这些层，co-SWIFT 创建了一个可以维持血流压力的系统，这比原来的 SWIFT 方法有了显著的改进。

△Co-SWIFT打印 3D 血管以创建可支持活体人体组织的分支血管网络。

保罗·斯坦基是 SEAS 的研究生，也是这项研究的第一作者，他解释说，该团队的突破在于他们的核心-壳喷嘴设计。喷嘴具有两个流体通道：一个用于胶原蛋白基壳墨水，另一个用于明胶基核心墨水。这使得血管不仅可以形成复杂的分支结构，而且足够坚固以承受血流的内部压力。研究小组创建了可以支撑活组织的血管网络。

为了测试他们联合 SWIFT 打印的血管，该团队使用了两种不含任何细胞的材料，其中一种由胶原蛋白制成，与活体肌肉组织非常相似。打印后，他们融化了明胶核心，留下开放的血流通道。然后，研究人员在外壳上添加了平滑肌细胞，在内层添加了内皮细胞，使血管像真正的血管一样工作。经过七天的测试，血管壁保持坚固，内皮细胞的存在使它们的渗透性降低，表明血管功能正常。

然而，真正的考验是在科学家将他们的技术应用于活体人体组织时。他们创建了微小的人体心脏细胞簇，称为心脏器官构建块 (OBB)，并将它们压缩成致密的固体结构。这种致密的基质创造了一个更像组织的环境，类似于细胞在实际人体器官中的紧密排列方式。通过这样做，他们创建了一个基础，以应用他们的 co-SWIFT 方法在这种活体组织内打印血管，从而更真实地测试打印的血管在真实人体组织中如何发挥作用。

△原始SWIFT 方法（左）和联合 SWIFT（右）。

成功将血管网络打印到基质中后，取出明胶芯并用内皮细胞灌注血管。经过五天的模拟血液灌注后，心脏组织“反应良好”，同步跳动。这种同步跳动表明组织健康且功能正常。

除了证明这些血管可以支撑活体组织之外，科学家“还能够根据来自真实患者的数据，成功地3D 打印出左冠状动脉血管模型，这证明了 co-SWIFT 在创建针对特定患者的血管化人体器官方面的潜在效用，”联合资深作者之一、SEAS生物启发工程学 Hansjörg Wyss 教授Jennifer Lewis 说道。

该专家还指出，研究团队计划在此基础上构建毛细血管网络。毛细血管是负责营养交换的微小血管，对于在微观尺度上完全复制人体组织功能至关重要。

尽管实验室培育可移植器官的道路仍然漫长，但这一成就代表着令人难以置信的进步。

Wyss 研究所的创始主任、这项研究的共同资深作者 Donald Ingber 对该团队的努力表示赞赏：“说在实验室中设计功能性活体人体组织很困难，这只是轻描淡写。我为这个团队表现出的决心和创造力感到自豪，他们证明了他们确实可以在活体、跳动的人类心脏组织中构建更好的血管。我期待他们在未来某一天继续成功将实验室培养的组织植入患者体内。”

Ingber还是哈佛医学院和波士顿儿童医院的Judah Folkman 血管生物学教授以及SEAS 的Hansjörg Wyss 生物启发工程教授。

△Wyss研究所创始人唐纳德·英格伯 (Donald Ingber)。

这项技术的潜在应用远远超出了器官移植。除了制造人造器官外，复制复杂血管系统的能力还可以为药物开发、疾病建模和再生医学打开大门。科学家可以在实验室中创建更精确的人体组织模型，使他们能够以以前不可能的方式研究疾病和测试治疗方法。

这项研究以题为“Embedding Biomimetic VascularNetworks via Coaxial Sacrificial Writing into Functional Tissue”的论文发表在《先进材料》杂志上，得到了海军研究办公室和国家科学基金会的支持。在此成功的基础上，该团队目前正在探索下一步如何推动 co-SWIFT，重点是增加打印血管网络的复杂性并改善其与活组织的整合。

相关论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202401528