6月4日举行的AMA: Healthcare活动将3D打印在医疗领域的应用置于聚光灯下，来自各行各业的专家纷纷就这项技术的发展方向发表见解。

组织模型长期以来一直受制于同样的三个问题：构建耗时过长、无法实现有意义的规模化、以及其结构远未达到生物学的真实程度。前乌得勒支大学医学中心博士后研究员奥克萨娜·杜达里耶娃正在同时攻克这三个难题。

在介绍她关于体积法生成复杂组织工程肝脏系统的最新研究成果（该研究在里卡多·莱瓦托的课题组内进行）时，杜达里耶娃论证了体积打印并非对现有生物打印方法的渐进式改进，而是一种结构性的颠覆。

与传统的逐层构建结构的生物打印方法不同，体积打印的工作原理是同时将多个角度的光投射到一个装有光响应溶液的旋转小瓶上。这些光投影汇聚形成目标物体的三维全息图，然后在几秒到几分钟内固化。

杜达里耶娃表示：“体积打印不是对先前技术的迭代，它打破了从一开始就定义生物打印的时间和结构限制。”她指出，其速度相较于DLP或挤出式方法具有显著优势。

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从骨骼到胰腺：该技术已能构建的结构

莱瓦托实验室已经利用体积打印生产了一系列组织构建体，这些构建体通过其他方式生成要么困难重重，要么耗时巨大。一个直径1厘米的骨小梁模型，整合了人间充质干细胞、内皮细胞和微小内部血管，在12.5秒内生成。一个嵌入可灌注水凝胶内的芯片肝脏类器官，在测试中展现出功能性氨清除能力。

最近，该团队正在开发一种使用能够产生胰岛素的β细胞样球体的胰腺模型，同时正在推进从表达PDX1（一种内分泌细胞的关键标志物）的多能干细胞衍生出朗格汉斯岛，以制造可用于药物测试的生物打印胰腺模型。

杜达里耶娃说：“这些模型中的每一个都展示了这项技术的能力。许多其他模型仍然缺乏的是使组织真正发挥功能的血管架构。”每个模型都针对不同的器官系统，但它们都存在相同的结构缺陷：没有一个包含真实组织用于氧气输送、营养交换和细胞信号传递所依赖的致密、分层的血管网络。

血管化问题

在组织工程中，血管化并非一个边缘问题，而是决定模型行为是否真正像活体组织的核心问题。杜达里耶娃指出：“我们使用的水凝胶默认情况下孔隙率根本不够。如果没有孔隙，细胞就无法浸润，血管就无法形成，构建体就会达到一个严格的尺寸极限，这正是我们着手解决的问题。”

标准的合成水凝胶，包括那些基于PEG-二丙烯酸酯、PEG-甲基丙烯酰胺和明胶-甲基丙烯酰胺（均通过光和光引发剂交联）的水凝胶，虽然稳定且可打印，但默认是纳米多孔的。除非将空隙空间物理打印到结构中，否则细胞无法在其中移动，血管也无法在其中形成。结果是构建体尺寸存在一个大约100到200微米的硬上限，超过这个尺寸，氧气扩散就会失效。

她的解决方案源于她对通过液-液相分离制备大孔材料的研究重点。这项与苏黎世联邦理工学院研究人员合作开发的成果，将相分离剂——不参与交联的多糖（如葡聚糖）——引入水凝胶配方中。

它们的存在在交联过程中引发了相分离，导致聚合物沉淀并重新组织成相互连接的孔隙网络。根据机理（旋节线分解或双节线分解）的不同，所产生的结构会在基质内形成完全互连的孔隙或孤立的孔隙。

这在体积打印中特别有用的地方在于，孔隙的尺度可以直接通过光强来调节。通过操控体积打印机三维光场中的光强梯度，就有可能生产出具有梯度孔隙率的单一构建体——即同一物体不同区域具有不同的孔隙尺度，范围从低至1微米以下到数百微米。

突破扩散屏障

该方法的实际效果经过了直接测试。将基质细胞和内皮细胞的混合物以不同浓度和比例接种到大孔构建体的水凝胶上。在孔隙空间内，形成了与微毛细血管尺寸相匹配的内皮结构，这一结果在合成水凝胶系统中由于典型的纳米多孔性而特别难以实现。

这些血管结构在14天后依然保持稳定。与纳米多孔对照相比，大孔构建体显示出更高的连接密度、更长的毛细管长度，以及在整个构建体体积内被内皮结构占据的更大面积。在纳米多孔构建体中，向外生长主要局限于基质细胞，内皮细胞仅在打印伪影形成的小密度低通道区域生长，这是一种结构上的巧合，而非可重复的结果。

为了进一步支持血管向外生长，将带有单通道的可灌注芯片整合到纳米多孔和大孔构建体中，并连接到产生与生物血管相当流速的微泵上。接种在通道内的细胞作为向外生长进入本体材料的储存库。

在一周内，共聚焦显微镜显示基质细胞首先侵入孔隙空间，随后内皮细胞逐渐对内皮突起进行内皮化，这证明了在可灌注构建体内形成了功能性血管。在某些情况下，血管向外生长延伸超过800微米，远远超过了先前氧气扩散限制对生物打印材料施加的200微米阈值。

杜达里耶娃总结道：“作为要点，我们现在可以仅通过单一配方，仅通过调节光强，就能生成具有所需孔隙率的材料，生成孔隙率梯度和具有多尺度孔隙率的物体。这种孔隙率允许细胞和血管结构的浸润、大构建体的血管化、内皮化，并突破扩散屏障。”

血管化成为决定性问题的领域

杜达里耶娃展示的工作是一个更广泛研究努力的一部分，旨在解决已成为生物打印最持续瓶颈的问题：构建能够自我维持的组织。她的方法解决了全球范围内研究团队通过不同手段瞄准的相同基本限制。

在斯坦福，研究人员发布了一个平台，可加速血管网络的设计并将其转化为3D可打印模型，其明确目标是使生物打印组织超越因血液供应不足而导致的尺寸限制。从不同角度切入，宾夕法尼亚州立大学正在将3D生物打印生物材料模板与微穿刺相结合，在现有血管上制造微小的孔洞，以触发沿着打印血管路径的快速发芽，该项目获得了300万美元的NIH资助。

在材料方面，西班牙和荷兰的研究人员开发了混合生物墨水，能够生物打印出高度模拟人体血管分层结构和部分功能的动脉模型。

血管化是整个领域共同的目标。杜达里耶娃工作的独特之处在于其方法：将孔隙直接嵌入材料配方中，光强是控制尺度的唯一变量。无需预先设计的通道，无需手术干预——血管结构从内部生长出来。然而，这些方法中任何一种的临床转化，仍然是该领域最悬而未决的挑战。