可供移植的器官短缺仍然是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)：需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)供應(yīng)。截至2024年1月1日，法國(guó)全國(guó)器官移植等候名單上有近2.2萬(wàn)人，其中一些人已經(jīng)等待多年，有時(shí)甚至徒勞無(wú)功。面對(duì)器官短缺以及移植排斥的風(fēng)險(xiǎn)，再生醫(yī)學(xué)正在探索創(chuàng)新解決方案。科學(xué)家們正在努力利用患者自身細(xì)胞制造定制器官，以更快速、更有效地滿足需求。

斯坦福大學(xué)的研究人員最近取得了一個(gè)重要的里程碑：他們開(kāi)發(fā)了一種先進(jìn)的技術(shù)，可以高精度、快速地設(shè)計(jì)和3D打印血管。這一突破解決了利用患者自身細(xì)胞制造個(gè)性化器官的重大挑戰(zhàn)之一。

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利用3D打印重建復(fù)雜血管

一個(gè)器官要發(fā)揮功能，血液必須從大動(dòng)脈流向細(xì)小的血管，在那里滋養(yǎng)細(xì)胞。細(xì)胞必須非?？拷?xì)血管才能生存——有時(shí)甚至連頭發(fā)絲都無(wú)法觸及，尤其是在心臟這樣的器官中。在一立方毫米的心臟組織中，可能有超過(guò)2500條毛細(xì)血管，它們?cè)陔x開(kāi)器官之前都相互連接。由于每個(gè)器官的形狀各不相同，構(gòu)建合適的血管網(wǎng)絡(luò)既復(fù)雜又緩慢。到目前為止，研究人員通常使用簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)血管模型，這些模型對(duì)小組織有效，但并不適用于更大、更多樣化的器官。

斯坦福大學(xué)的一個(gè)研究小組開(kāi)發(fā)了一種3D打印器官?gòu)?fù)雜血管網(wǎng)絡(luò)的方法。他們的系統(tǒng)能夠忠實(shí)地再現(xiàn)這些血管的自然結(jié)構(gòu)，并且速度比以往任何時(shí)候都快得多。它還可以將這些模型轉(zhuǎn)換為可直接用于3D打印機(jī)的指令。該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種算法，能夠創(chuàng)建與真實(shí)器官血管網(wǎng)絡(luò)高度相似的血管網(wǎng)絡(luò)。該算法集成到他們的開(kāi)源軟件SimVascular中，利用模擬來(lái)確保正常的血流，防止血管交叉，并形成具有單一入口和出口的閉合回路，同時(shí)大大加快了創(chuàng)建過(guò)程。

“我們能夠在五小時(shí)內(nèi)創(chuàng)建一個(gè)完整的人體心臟供血數(shù)字模型。每個(gè)細(xì)胞距離血管僅100至150微米，這是一個(gè)非常好的結(jié)果，”博士后研究員、該研究的共同資深作者Zachary Sexton解釋道。該模型包含大約一百萬(wàn)條血管?！斑@項(xiàng)任務(wù)以前從未完成過(guò)，以前的方法可能需要幾個(gè)月的時(shí)間?！北M管3D打印機(jī)目前還無(wú)法打印出非常精細(xì)的網(wǎng)絡(luò)，但研究人員成功打印出了一個(gè)包含500個(gè)分支的模型。他們還通過(guò)整合人類腎臟細(xì)胞測(cè)試了一個(gè)更簡(jiǎn)單的版本。他們使用生物打印機(jī)，將滋養(yǎng)液循環(huán)到25條小血管中，從而維持了靠近網(wǎng)絡(luò)的許多細(xì)胞的存活。

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走向功能性血管

研究人員指出，這些構(gòu)建的結(jié)構(gòu)還不是真正的血管。它們只是簡(jiǎn)單的3D打印通道，沒(méi)有構(gòu)成血管壁的特定細(xì)胞。“這是邁向生成真正復(fù)雜血管網(wǎng)絡(luò)的第一步，”博士后研究員兼共同第一作者Dominic Rütsche解釋道。

“我們可以打印出前所未有的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，但它們還不是完全的生理血管。我們正在努力實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)?！痹搱F(tuán)隊(duì)目前正在努力使這些網(wǎng)絡(luò)完全發(fā)揮作用。他們還在研究如何促進(jìn)最精細(xì)的血管自然形成，同時(shí)提高生物打印機(jī)的速度和精度。

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