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3D打印造血管

发布时间:2018-11-24 01:06:01 文章来源:未来智讯    
    3D打印造血管作者:未知   10月举行的德国生物科技展(Biotechnical Fair)上,一段被镊子轻轻夹起的毛细血管吸引了参会者的关注,这是用3D打印机“打印”出来的人造血管。领导这项研讨的冈特・托瓦尔(Gunter Tovar)博士向参会者介绍说:“这项血管打印技能已经能够单独使用,目前正在进行进一步的测试。整套完整的血管系统也将在近期完成。”
  虽然早在上世纪50年代,人造血管就已经被“织造”出来,并在临床上广泛用于大动脉血管的替换,但在直径6ram以下的静脉血管研讨上,一直没有取得突破性进展。主要原因是,人造毛细血管:不但需要足够微小,而且还要有能和真实血管媲美的弹性和生物相容性。德国最大的应用科学研讨机构――弗劳恩霍夫应用研讨促进协会(Fraunhofer-Gesellschaft)――的BioRap打算,就把目光瞄准了使用3D打印技能“打印”毛细血管。自2009年实施以来,该打算就旨在开发具备生物相容性的人造血管,他们借助于成熟的快速原型设计技能(3D建模与打印),以及双光子聚合技能,很快制作出毛细血管的成品。
  3D打印三部曲
  整个血管系统的构建,被分为三个局部――3D打印(3DPrinting)、双光子聚合(two-photonpolymerisation)和生物功能化修饰(Biofunctionalization)。
  3D喷墨打印机能够利用多种材料制作出三维的固态模型,主要原理便是利用CAD进行模型设计,然后把有固定形状的各层材料通过紫外线照射交联为一个总体。这种技能已经可以制作出微细结构的模型,但对于毛细血管――这种仅容一个红细胞通过的管道――却束手无策。这也便是研讨者把3D打印同双光子聚合技能整合到一同的原因。密集程度极高的激光脉冲可以激发材料中的分子,使其集合在一个焦点上完成交联。打印的墨水中的生物材料在聚合后,赋予了血管很好的弹性。这一点至关重要,因为血管要承受心脏收缩和舒张时的压力变化,这就要求人造血管材料不仅要有一定的强度、顺应性还要有一定的弹性,可以承受一定的压力而不破裂,而这恰是目前人造毛细血管研讨的瓶颈所在。
  人造的血管,还必须要提高生物相容性,才能不被免疫器官排斥,与人体自身的组织共存。因此,要对打印出的血管进一步用生物分子修饰,让人体的细胞,如血管内皮细胞,可以被吸引并贴附到管道表面。已知的细胞贴附因子,如肝素、RGD等,都被整合到了管道的内壁,吸引内皮细胞贴附。托瓦尔博士说:“这一步至关重要。我们不但要保证细胞可以正常贴附,还要确保下一步注入血液时,血液中的各种成分不会被黏在血管上。”
  在整个制作流程中间,研讨团队还要对管道内真实情况进行电脑仿真模拟,认真计算管道各项参数,不时改进以找到能使血液达到最佳流速的结构。这样的设计使血管输送养料和代谢交换的功能更加流畅,从而能用于人造器官的养分供应。而毛细血管的养分供应恰是大型人体器官制造的瓶颈,目前的生物技能只可制造人造肠道、人造气管等小型人体器官。
  人造血管与器官移植前景
  BioRap打算虽然不过为了设计一段小小的毛细血管,却涉及到了弗劳恩霍夫协会的五大研讨机构:应用高分子研讨所(IAP)、表面工程与生物技能研讨所(IGB)、激光技能研讨所(ILT)、制造工程与自动化研讨所(IPA)以及材料力学研讨所(IWM)。这足见德国科学研讨机构间亲密高效的交流与协作,以及人造血管构建研讨的重要意义。
  3D打印血管是三维弹性材料研讨上的重大突破,毫无疑问有着广泛的应用前景。托瓦尔博士认为:“我们的事务为快速原型设计在弹性有机生物材料制造领域上的应用奠定了基石。”此外,这项3D打印技能制造出的毛细血管,不仅能够应用在更换坏死的血管上,还能够与人造器官技能联合。只管人造器官仍然是一个遥远的研发打算,但3D打印血管技能仍将有力推动大型人体器官的制造。用这项技能制作的血管,能够与目前的人造器官技能相联合,作为实验用器官材料,来取代目前药物研发中使用的动物实验,从而成为更具有人道的实验手段。
  人造血管的成功又引起了对器官移植现状的思索。据统计,仅在德国,2011年一开年,就有超过11000位患者等待器官移植,而平均来看,可以被施以器官移植手术的仅占不到一半。中国的现状可能更严峻。卫生部副部长黄洁夫曾在《柳叶刀》(The Lancet)上发表文章称,中国每年大约有150万人因末期器官功能衰竭需要器官移植,但每年可以使用的器官数量不到1万,供求比率达到1:150。与此同时,中国需要接受器官移植的患者数量还在以每年超过10%的增量扩大。美国维克森林再生医疗研讨所(Wake Forest Institute Of RegenerativeMedicine)主管安东尼・阿塔拉(Anthony Atala)博士,正在使用3D技能打印出观念肾模型,他说:“每30秒,就有一位患者因为无法得到组织再生或移植而死去。”
  因此,即使在短期内我们不能成功制造出人造器官,但由3D打印血管衍生出的3D人造组织也将会挽救万万患者的生命。
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