美国东北大学生物打印技术和材料取得突破，有望实现3D打印人体器官

2025年2月22日，南极熊获悉，据美国东北大学报道，活体组织生物打印技术取得突破，很快将实现3D打印血管和人体器官。来自美国东北大学生物工程学教授戴国豪及其同事最近为一种新型弹性水凝胶材料申请了专利，新材料专为3D打印软活体组织而设计。

专利题为Biodegradable elastic hydrogels forbioprinting，获取链接：https://coe.northeastern.edu/news/patent-for-new-material-for-3d-printing-of-living-tissues/

现代医学利用 3D 打印技术制造颅骨板、髋关节、肢体假体和医疗器械等硬植入物。然而，戴教授表示，器官和软组织的 3D 打印仍然是一项重大挑战，他的研究重点是 3D 生物打印、干细胞和血管生物工程。

软组织需要能够拉伸和回缩的弹性材料，而现有材料则缺乏这种弹性。戴说：“弹性对于维持组织的正常功能非常重要。”解决这一难题可以彻底改变医学，并使器官移植成为过去。

照片来源：Alyssa Stone/东北大学。

水凝胶是一种能够保持水分的合成聚合物。例如，它们可用于制作含有皮肤营养物质的面膜、输送药物的伤口敷料以及含有大量水分以提供舒适感和氧气传输的软性隐形眼镜。戴说，传统的水凝胶太脆弱，无法进行 3D 打印，因为它们无法承受拉伸或扭曲——这限制了它们的医疗应用。

为了解决这个问题，戴与德克萨斯大学阿灵顿分校的 Yi Hong 合作。Hong 找到了一种让软水凝胶具有弹性的方法，而戴则利用他在 3D 打印方面的专业知识进一步修改了这些水凝胶的某些特性，以便它们可以通过打印机。要通过打印喷嘴，材料必须是液体，但它还必须在打印物体后保持形状。

这种新材料可溶于液体溶液，打印后可封装大量水分。这对细胞生长非常有利，因为它模拟了人体环境，而人体平均由 60% 的水组成。打印前，细胞被注入液体溶液中。打印完成后，物体会暴露在蓝光下，从而引发光化学反应，使凝胶具有弹性，而不会伤害活细胞。

照片来源：Matthew Modoono/东北大学

戴说：“你可以打印任何几何形状，例如，一根管子或一条血管。然后细胞在打印的结构内繁殖和生长，我们在脉动压力下培养它们，以模拟人类的血压。”

新型弹性水凝胶的另一个关键优势是可生物降解。目标是使聚合物完全可降解——同时细胞用自己的胶原蛋白和弹性蛋白代替它，形成坚固的天然血管。戴说：“它不是人体天然的，这就是为什么我们希望它最终完全消失。”

到目前为止，打印出来的血管（培养了两周）仍然比较脆弱，还不能承受人体血压。戴相信，将培养期延长到两个月（这是一项昂贵的实验）可以让细胞完全发育出坚固的结构。

此外，研究人员正在努力加快水凝胶的降解速度，目标是在细胞成熟为功能性血管的同时，在两到三个月内能够溶解。这项技术有望最终使患者能够利用自己的细胞制造血管。随着水凝胶降解，人体将自然地替换它，从而形成功能齐全的组织或器官。