目前我國器官捐獻與移植規(guī)?？傮w上居全球第 2 位，但肝腎供體短缺問題嚴峻。人體肝臟的功能有 500 多種之多，這樣的復雜性意味著目前尚沒有人造物可以替代。

不過，未來的生物打印器官有望實現(xiàn)這一目標。如果打印的組織能像健康組織一樣“呼吸”，它們在功能上是否也更接近健康組織，將直接影響它能否順利成為一種治療手段。

眾望所盼的 3D 打印技術(shù)能解決這個問題嗎？

5 月 4 日，《科學》雜志封面報道，美國萊斯大學與華盛頓大學的研究團隊帶來一項具有里程碑意義的發(fā)明：一個由水凝膠 3D 打印而成的肺模型，它具有與人體血管、氣管結(jié)構(gòu)相同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠像肺部一樣朝周圍的血管輸送氧氣，完成“呼吸”過程。從外形來看，這個人造器官還沒有一枚硬幣大。

要想 3D 打印出有效的肺模型，研究人員首先需要了解人類器官的結(jié)構(gòu)是怎樣的，以及這種結(jié)構(gòu)上的不同功能是如何形成的。

美國萊斯大學生物工程系助理教授 Jordan Miller 解釋，他們主要在做的是如何用凝膠制造活組織和活細胞。

在肺部，有氣管以及環(huán)繞著的血流，最小的血管直徑只有 300 微米，我們現(xiàn)在能看到的是血管的膨脹實際上在輔助推動環(huán)繞周遭的血管中的血液混合，人類的肺部也可能是這樣。

萊斯大學生物工程系研究生 Bagart Grigoryan 表示，這一領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)是制造較大的活組織塊，并且保證它又可存活的、運轉(zhuǎn)正常的細胞，制造這種活組織塊非常容易，但確保這種活組織內(nèi)細胞的可存活性以及功能性是個挑戰(zhàn)。想到日后有可能制造出可植入人體的組織，這讓他們非常激動。

制造活組織的最大挑戰(zhàn)之一是搞清楚如何使氧氣和營養(yǎng)成分輸送到組織內(nèi)以及如何將里面的廢物排出，人類的身體通過血液循環(huán)來實現(xiàn)這個過程。但實際上，在軟組織中植入血管且保證細胞可存活非常難，這在過去幾十年一直是 3D 打印器官領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)。

網(wǎng)友@我藥你笑 也解釋了為什么說 3D 打印是突破了 3D 打印器官的天塹難題。由于肺部同時擁有氣道和血管，它認為需要解決三個難題：1、如何使打印的器官模擬肺功能的氣囊，自由交換氧氣。2、如何使打印出的血管可以為組織輸送氧氣成分。3、在 3D 打印器官的過程中如何兼顧多種不同的管道系統(tǒng)。

圖1 具有功能性血管內(nèi)拓撲結(jié)構(gòu)的整體水凝膠（Monolithic hydrogels）

在《Multivascular networks and functional intravascular topologies within biocompatible hydrogels》（生物相容性水凝膠內(nèi)的多種血管網(wǎng)絡(luò)和功能性血管內(nèi)拓撲）一文中，研究人員詳細介紹了他們的研究成果。

研究人員解釋，固體器官通過在生物物理和生物化學上相互糾纏的獨特的血管網(wǎng)絡(luò)輸送液體，形成了復雜的三維（3D）輸送體系，但該方案目前仍難以進行生產(chǎn)和研究。他們則利用食品染料添加劑，作為用于投影立體光刻的生物相容但有效的光吸收劑，建立了可光聚合水凝膠的血管內(nèi)和多血管設(shè)計自由。

在實驗中，他們展示了在幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生整體透明水凝膠（monolithic transparent hydrogels），包括有效的血管內(nèi)3D流體混合器和功能性二尖瓣（functional bicuspid valves）。他們還進一步從空間填充的數(shù)學拓撲中闡述了糾纏血管網(wǎng)絡(luò)，并探討了潮氣通氣和近端氣道擴張過程中人體紅細胞的氧合和流動。

圖2 糾纏的血管網(wǎng)絡(luò)

圖3 具有血管化肺泡模型拓撲結(jié)構(gòu)的水凝膠的潮氣通氣和氧合作用（Tidal ventilation and oxygenation）

最后，他們還在慢性肝損傷的嚙齒動物中放置了結(jié)構(gòu)性可生物降解的水凝膠載體，以強調(diào)這種材料的潛在轉(zhuǎn)化用途。

圖4 功能性肝的水凝膠載體的植入

在打印的肝臟組織中，研究人員們植入了原代肝細胞，并將它們放入了帶有慢性肝損傷的小鼠體內(nèi)。研究表明，這些肝細胞也能在體內(nèi)生存，打造的血管能有效為這些細胞輸送養(yǎng)分。

想象一下，你自己的肺和心臟，以及其他一切處于運轉(zhuǎn)當中的器官組織，研究人員認為，探索 3D 打印器官，比如瓣膜、模仿肺部功能的組織對生物醫(yī)學領(lǐng)域來說極其重要。不過，研究人員的態(tài)度是謹慎而樂觀的，在探索人類內(nèi)部器官構(gòu)造方面這才剛剛開始，還有很多要去了解和學習的知識。