斯坦福大学新算法提速200倍：5小时内精准打印复杂心脏血管网络

2025年6月13日，南极熊获悉，斯坦福大学的研究人员开发出一种更快、更精确的血管系统建模和打印方法，解决了利用患者自身细胞制造可移植器官的关键难题。

△研究成果已发表在《science》杂志上，题目为“用于生物制造的器官规模合成血管的快速模型指导设计”（传送门）

为器官短缺和匹配问题提供解决思路

研究人员指出，美国有超过十万名患者急需器官移植，但受限于器官短缺和匹配问题，许多人面临长期等待甚至无法等到合适的器官。此外，器官移植后排斥反应的问题依旧难以避免。因此，研究团队正致力于使用患者自身的细胞来制造个性化器官，而其中的关键挑战之一是如何精确模拟复杂的血管系统，确保新生器官获得充足的血液供应。

这研究的共同资深作者、斯坦福大学心血管疾病教授Alison Marsden表示：“目前，生物打印组织的规模化能力受限于能否为生物打印组织生成血管，因此，若无法提供血液供应，组织的规模便无法扩大。因此，我们已经优化了生成血管的算法，使生成和打印速度比先前的方法快了大约200倍，并且我们现在能够构建出复杂的血管结构，例如器官内的血管网络。”

△研究团队新方法不仅能够以前所未有的速度生成与人体内实际血管结构相似的设计，还能将这些设计直接转化为适用于3D打印机的指令

构建定制化血管网络

当血液被泵送到体内某个器官时，它会沿着大动脉流向逐渐变细的分支血管。在那里，血液与周围组织进行气体和营养物质的交换。在大多数组织中，细胞需要在距离毛细血管仅一根头发丝的宽度内才能生存。然而，在心脏等代谢需求特别旺盛的组织中，这个距离甚至更短——在仅一个毫米大小的立方体中，可能有多达2500条毛细血管。所有这些微小的血管最终都会汇聚并离开器官。

同时，血管网络并不是标准化的；它们因器官的形状而异，即使是两个大小相似的心脏之间也可能存在显著的差异。到目前为止，构建一个与独特复杂器官相匹配的真实血管网络模型一直是一个极具挑战性的任务，不仅困难重重，而且特别耗时。许多研究人员因此转向使用标准化的晶格结构。虽然这些晶格在小型工程组织模型中表现良好，但在更大规模的组织工程中，它们的适用性并不高。

△合成血管工具包的基本数据结构和功能

生物3D打印打印心脏

为解决这一问题，Marsden和她的同事们构建了一种算法，可创建与原生器官高度相似的血管树。他们结合流体动力学模拟，确保血管系统均匀分布血液，并成功缩短了生成网络的时间，避免了血管间的碰撞，创建了一个具有单一入口和出口的闭环系统。通过新算法，仅需五小时即可生成一个高密度的心脏血管模型，其中每个细胞距离最近血管仅100至150微米，展示了高精度与效率。

虽然当前的3D打印机尚未达到打印如此精细密集血管网络的技术水平，但研究人员已成功设计并打印出一个包含500个分支的血管模型。此外，为了验证模型的生物兼容性，他们还测试了一个简化版本。通过使用3D生物打印机（专门用于打印活细胞，而非传统材料如树脂或金属），研究人员创建了一个包含人类胚胎肾细胞的厚环结构，并构建了一个包含25条血管的网络，且在该网络内的人类胚胎肾细胞保持了良好的存活状态。

△合成血管在生物3D打印制造中的应用

研究人员很快注意到，这些血管网络还不是功能性血管，它们是通过3D矩阵打印的通道，但它们没有肌肉细胞、内皮细胞、成纤维细胞或任何其它需要自行运作的细胞。因此研究人员表示，“这是朝着生成真正复杂的血管网络迈出的第一步，我们可以打印出前所未有的复杂程度的血管，但它们还不是完全的生理性血管。我们正在努力实现这一点。”

Skylar-Scott教授表示：“我们已经能够利用人类干细胞生成足够的心脏细胞，并打印出心脏的基本结构。接下来，我们将继续优化血管设计，以支持这些细胞的生命活动。我们相信，未来几年内，我们将能够打印出具备完整血管网络和生理功能的人类器官。”

此次研究的成果不仅为个性化器官打印提供了新的思路，也为临床治疗提供了更为高效、可持续的解决方案。随着技术进步，个性化移植器官和再生医学有望在不久的将来实现，拯救众多等待器官移植的患者。