新的生物打印技术显示出组织修复和再生医学的潜力

共聚焦显微镜图像显示了3D打印的1厘米厚的血管化组织的横截面。在对流体，营养物和细胞生长因子进行主动灌注一个月后，可以看到通过干细胞分化向骨细胞发展的运动。该结构是由詹妮弗·刘易斯（Jennifer Lewis）及其在Wyss Institute和哈佛SEAS的团队发明的一种新颖的3D生物打印策略制成的。

新的研究详细介绍了科学家如何进一步将血管网络嵌入到厚厚的人体组织中，这可能导致组织修复和再生，甚至最终置换整个器官。

哈佛大学Wyss生物启发工程研究所和哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的一个团队发明了一种3D生物打印厚血管化组织构造的方法。脉管系统网络使流体，营养物和细胞生长因子能够在整个组织中均匀地灌注。

周一在《美国国家科学院院刊》上报道了这一进展。

该研究的主要作者，Wyss核心作者詹妮弗·刘易斯（Jennifer A. Lewis）表示：“这项最新工作将我们的多材料生物打印平台的功能扩展到了厚厚的人体组织，使我们离为组织修复和再生建立体系结构又迈了一步。” SEAS的生物化学工程学系教授兼HansjörgWyss教授。

印刷血管的脉管对于维持功能性活组织至关重要。到目前为止，生物工程师们很难建立厚厚的组织，缺乏嵌入血管网络的方法。

在这项研究中，刘易斯和她的团队表明，他们的3D打印，血管化组织可以蓬勃发展，并可以在长达六周的时间内作为活体组织结构发挥作用。

迄今为止，由于无法嵌入维持生命的血管网络，限制了由多种细胞类型构成的人体组织的放大。Lewis和她的团队在其早期工作的基础上，现已将组织厚度阈值提高了近十倍，为组织工程和修复的未来发展奠定了基础。该方法将血管与活细胞和细胞外基质结合在一起，使结构能够充当活组织。

作为该技术可以实现的一个例子，刘易斯的团队打印了1厘米厚的组织，其中包含被结缔组织包围的人骨髓干细胞。通过这项研究，科学家通过在与人类血管中发现的相同内皮细胞内衬的支持性脉管中泵送骨生长因子，从而诱导该细胞在一个月的时间内发育成骨细胞。

“这项研究将有助于建立生物打印血管化活组织所需的基本科学知识，”为该项目提供资金的国家科学基金会计划主任，土木，机械和制造创新工程部工程总监。“这样的研究使3-D人体组织可以更广泛地用于药物安全性和毒性筛查，并最终用于组织修复和再生。”

刘易斯新颖的3D生物打印方法使用可定制的印刷硅胶模具来容纳印刷的组织结构。在此模具内，由普卢尼克（在冰箱温度下会液化的材料）和活干细胞制成的血管通道层像锁紧的手指一样相互交叉。将蜂窝状基质倒在该结构周围并固化。然后将整个设备冷藏，直到普流罗尼克变成液体并被真空吸出为止。这创造了通道，包含内皮细胞，氧气，营养物质和生长因子（基本上是模拟血液）的液体可以通过这些通道流动。

生物打印材料可用于创建活体组织培养物以及驱动定向组织生长，例如分化干细胞。为了获得各种组织形状，厚度和组成，可以定制印刷的有机硅芯片的形状，并且可以将可印刷的蜂窝材料调整为包括多种细胞类型。换而言之，研究人员说，这种新方法创造了一个完全可控的活3D组织环境。

“在组织内预制血管系统可以增强组织深部的细胞功能，并使我们能够通过使用可灌输的物质（例如生长因子）来调节这些细胞的功能，”戴维·科尔斯基（David Kolesky）说，他是该研究所的研究生。威斯研究所（Wyss Institute）和SEAS，也是该研究的第一批作者之一。

Wyss研究所所长唐纳德·英格伯（Donald Ingber）表示：“詹妮弗（Jennifer）和她的团队正在基于其独特的生物打印方法改变组织工程领域的范式。”“他们自下而上地构建活的3-D血管化组织的能力提供了形成宏观功能组织替代物的潜在方法，该替代物可以通过手术连接到人体自身的血管上，以立即灌注这些人造组织，因此大大增加了他们生存的可能性。这将克服过去阻碍组织工程发展成功的许多问题。”

Ingber还是哈佛医学院的犹大Folkman血管生物学教授和波士顿儿童医院的血管生物学计划教授，以及SEAS的生物工程学教授。除了Lewis和Kolesky之外，这项新研究的其他团队成员还包括第一作者，Wyss研究所的研究员Kimberly Homan和Wyss研究所的博士后Mark Skylar-Scott。

这项工作得到了美国国家科学基金会和哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的支持。

出版物：David B. Kolesky等人，“厚厚的血管化组织的三维生物打印”，PNAS，2016年； doi：10.1073 / pnas.1521342113