在美国，平均每天有18 人在等待器官移植时去世。捐献的器官很难获得，这就是为什么许多科学家在过去二十年里一直试图从零开始创造新的肝脏、肾脏、心脏或肺脏。一种制造这种精细结构的潜在方法是使用生物相容性材料进行 3D 打印，或称为生物打印——据报道，现在已经生产出功能性的肺脏和肝脏组织模型，这还得益于一种非常规的成分：食用色素。
潜在的器官打印机此前一直受到某些器官复杂性的阻碍。例如，我们的肺脏和肝脏包含物理和生化上相互缠绕的血管和气道网络（在肺脏中）或胆管（在肝脏中）。能够重建这种脉管系统——并使流体动力学正常运作，从而使血液和其他液体正常流动——一直是一个持续的挑战。
现在，来自华盛顿大学和莱斯大学的一个研究团队表示，他们已经使用一种名为投影立体光刻技术的 3D 打印技术生产出了功能性组织模型。这种方法将薄层液态树脂暴露于蓝光下，蓝光将其固化成复杂的、由水凝胶组成的结构——水凝胶是由缠结的聚合物分子链组成的凝胶。这些形成了一个结构性的“支架”，研究人员可以将活细胞植入其中，使其能够执行肺脏或肝脏的工作。在新的研究中，植入的细胞存活了下来，并且由此产生的器官组织模型展示了真实器官的一些功能。研究结果上周发表在《科学》杂志上。
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“这绝对是我们创造近似正常组织的 3D 打印结构能力方面的一个重大进步，”维克森林再生医学研究所主任 Anthony Atala 说，他没有参与这项新研究。
投影立体光刻的基本技术自 20 世纪 80 年代以来就已存在，但“它在设计时并没有考虑到生物学；它被用来制造塑料结构，”莱斯大学布朗工程学院生物工程助理教授、新论文的合著者 Jordan Miller 说。该技术可以生产比标准 3D 打印更精细的层，而且速度也更快。“与挤出技术每分钟创建一个层不同，使用立体光刻技术，我们可以在几秒钟内完成，”Miller 说。速度至关重要：由于打印结构最终会将氧气和营养物质输送到细胞，因此更快的速度意味着在制造过程中死亡的细胞更少。
但存在一个挑战。这种类型的打印过程依赖于光反应化学物质（对光有反应的物质），以便液体中的某些预编程区域会固化，而其他区域保持柔软，随后可以被冲洗掉。不幸的是，许多这些化学物质都是致癌的。为了使 3D 打印机能够创建器官所需的精细脉管系统以进行营养输送和废物清除，它需要立体光刻技术提供的精度；但对于移植来说，它需要安全、水溶性的光反应剂。
因此，研究人员不得不寻找一种替代经过验证但有毒化学物质的替代品。当 Miller 和他的团队猜测食用色素可能会奏效时——他们知道食用色素会吸收正确的光波长以使 3D 打印过程工作，并且相对具有生物相容性——他们太急于求成，无法等待供应商运送这种成分。因此，Miller 说，“我去了超市，买了一套人们用来制作糖果的食用色素染料。”
它奏效了。首先，该团队用食用色素黄色 5 号或柠檬黄为液态聚合物着色，然后让打印机的投影仪将蓝光照射到其上。这引发了局部化学反应，使液体固化。由于打印机以预编程的模式投射光线，因此它创建了一个设计，该设计硬化成薄而坚韧的生物结构。“我们欣喜若狂，因为它令人震惊地简单；它立即使我们能够制造出这种极其复杂的架构，”Miller 说。
黄色 5 号存在于许多零食中，它还有另一个优点：它可以很容易地从生物打印结构上冲洗掉，留下一个清晰的框架，可以用来滋养科学家填充的任何细胞。残留的少量染料预计不会影响细胞健康。（研究表明，正如传言所说，黄色 5 号不会影响精子数量；然而，它可能会加剧儿童已有的多动症。）
进行测试
尽管研究人员以前曾生物打印过组织，但他们一直无法使细胞存活足够长的时间。最新的研究必须在这方面测试新打印的支架，而红细胞是一个简单的开始方式。
该团队创建了一个气囊的比例模型，模仿了肺脏复杂脉管网络的一个关键部分。它包括一个空气通道和单独的血细胞通道。在健康的人肺中，这两个结构在不接触的情况下交换氧气。该模型执行了相同的功能，使血细胞保持存活。它也被证明足够坚固，可以在模拟“呼吸”使打印组织扩张和收缩时保持其结构。
接下来，研究人员测试了肝脏组织的模型。此处打印过程的一部分包括将称为肝细胞的专门肝细胞注入打印结构中。该团队将人工肝脏组织植入患有慢性肝损伤的活体小鼠以及未受伤的小鼠体内，然后对它们进行了测试。一个功能齐全的肝脏具有 500 多种功能，在这种情况下，他们只检查了一种功能，但它确实证明是成功的——并且肝细胞在活体小鼠中存活了下来。
新的打印方法还生产了可用的血管内瓣膜，这些瓣膜在心脏和腿部静脉中起着关键作用。在测试中，打印的版本在流体流过时保持了其结构，并且它们阻止了流体向后流过瓣膜。
打印器官开启新局面
那么，生物打印器官离移植名单上的患者可以使用还有多久？科学家们还有很多东西需要弄清楚——从基础知识开始，例如确定最佳的基础水凝胶。哪种蛋白质效果最好？是否应该使用生长因子等添加剂来加速这一过程？“现在我们可以开始有条不紊地改变这些因素，看看哪些更重要——并询问这如何影响细胞的功能，”论文合著者、华盛顿大学生物工程和病理学系助理教授 Kelly Stevens 说。然后是如何最好地构建支架，以及有多少打印材料可以实际替代组织的问题。“这些是技术上的新飞跃使我们首次能够提出的问题，”Stevens 说。
研究人员不希望成为唯一尝试这些可能性的人——因此他们将他们的技术开源，允许其他生物工程师测试他们自己的应用。“生物打印开源确实有助于加速这项技术——它确实更快地推动了该领域的发展，”Atala 说。他计划将这些发现应用于他的团队正在研究的许多器官组织结构。
其他潜在的器官制造者可以购买专门的打印机和墨水——Miller 和该论文的其他一些合作者成立了一家名为 Volumetric 的初创公司来销售这些材料——或者可以自己复制这项工作。Miller 说，分享 DIY 选项对他来说很重要。“我们真的对在生物打印中开启一套新的设计自由感到兴奋，”他说。