混合生物打印突破毛细血管尺度，圣母大学与哈佛医学院联合攻克组织工程血管化难题

仅在美国，就有超过10万人在等待器官移植，供体器官一直短缺。
如果能用患者自己的细胞打印出一个器官，短缺问题能解决，身体排斥移植器官的风险也有可能彻底消失。
这也是研究人员几十年盯着3D打印器官不放的原因。
真正卡住他们的不是器官外形，而是人体血管网络的规模和复杂性，尤其是毛细血管。

圣母大学与哈佛医学院的研究人员合作开发出一种3D打印血管网络的方法，其分辨率接近人体最小血管的尺寸。
这项发表在《自然·化学工程》（Nature Chemical Engineering）上的研究成果，解决了组织工程中一个核心未解难题：如何构建足够精细的血管网络，以维持细胞在整个较大构建体中的存活，并借此推动生物打印组织向临床相关性迈进。

毛细血管是人体里最小的血管，它们织成一张网，给细胞送氧气和营养，也带走代谢废物。
缺少这张网，再精致的打印组织也活不下来。
毛细血管大概是生命里最低调的基础设施，细到看不见，却决定整个系统能不能转。

这事到底难在哪？
航空航天与机械工程系先进材料与制造学院的教授张彦良（Yanliang Zhang）说得挺直接。
「打印能模拟自然生命系统的血管非常困难，因为血管的尺寸各不相同。」
「在不损失可扩展性和结构完整性的前提下，把最微小的血管做对，一直是当前最先进的生物打印技术面临的最大挑战之一。」
这次的目标，是打印出直径小于10微米的毛细血管，比最细的人发还要细。

为了做成这件事，团队把两种技术拆开，各负责一段。
研究人员自行设计了一套定制系统，将挤出式生物打印与气溶胶喷射打印相结合，而非改造商用生物打印机。
挤出式打印负责处理较大的组织结构，而气溶胶喷射打印则能生成精细的牺牲通道，这些通道后续会转化为类似血管的通道。
先由挤出式打印用压力把生物材料一层层挤出来，搭出模拟真实组织的柔软凝胶状支架，也就是基质。
一部分基质打印完成后，细小明胶丝线会通过气溶胶喷射打印技术沉积进去，之后再被移除，基质里就留下一条条通道，这些通道就是血管的雏形。

气溶胶喷射打印能控制通道尺寸，靠的是鞘流实现气动聚焦。
调节范围很惊人，明胶丝线的直径可以从数百微米一路缩到几微米，正好对应天然血管那种粗细不一的多变结构。
该系统的成果是能够制造直径小于10微米的通道，在某些情况下可达5至6微米——这与人体组织中的毛细血管尺寸相当。
打印过程中可调整通道的尺寸和几何形状，从而形成分支状、层级化的网络，更接近天然血管结构的架构。
该技术不局限于单一血管尺寸：研究团队展示的网络范围从较大的类血管通道一直延伸至毛细血管级别的结构。
「我们在生物打印领域取得了一项重大突破。」张彦良补充道。
「在生物打印中实现毛细血管级别的分辨率，是朝着构建功能齐全的组织和完整器官迈出的重要一步。」

打印技术到位了，参数还得慢慢调。
传统试错法费时费力，这个团队干脆把机器学习拉进来。
该系统集成了贝叶斯优化——一种机器学习框架，能微调墨水流量和鞘气流量，为给定尺寸的通道找出最佳打印参数组合。
根据研究，优化过程通常在大约八轮测试内收敛到合适的参数，从而减少了为满足不同通道规格而校准系统时本需进行的反复试错工作。
「机器学习是一个非常强大的工具，与传统试错法相比，它能帮助我们更快地确定最优参数。」张彦良说。
「引入自主优化大幅提升了效率，让我们能够更快实现打印通道所需的质量和精度。」

双打印加上机器学习，团队成功造出了从一维到三维的分级血管网络。
随后，部分通道被植入内皮细胞。
内皮细胞会在血管、心脏腔室和淋巴管的内壁铺出一层薄薄的单细胞层，叫内皮层。
在实验室实验中，内皮细胞——即人体血管内壁的细胞类型——附着在通道壁上，沿结构扩散，并形成了具有与天然血管壁相似功能特性的连续内衬。
研究团队还证明，液体可以流经打印出的网络，且细胞在生长过程中保持活力。
「我们非常高兴地看到活细胞迅速附着并沿着通道内壁扩散，最终复制了真实人体毛细血管的屏障功能。」张彦良说。
「这是一个重要的进步，证明我们的混合打印网络能够在无渗漏的情况下支持活体组织结构。」

这些设计要是整合进仿生组织模型，能用在哪？
再生医学和器官工程是明摆着的方向。
药物安全性和有效性的测试也会用到，比如「芯片器官」（organ-on-a-chip）模型。
研究团队指出的近期应用包括药物测试和疾病建模，在这些应用中，血管化组织构建体可为研究人类疾病或评估疗法提供更符合生理条件的模型，从而减少动物试验或临床前研究的需求。
再往前一步，用患者特异性细胞构建模型，个性化医疗就有了落点；大规模治疗之前，可以先在模型里评估治疗反应。

这项研究是美国国立卫生研究院（NIH）今年早些时候宣布的一个更大型项目的一部分——一个为期四年、耗资260万美元的项目，旨在开发能够超越当前实验室工作典型小样本规模的功能性血管化组织。
在更近的未来，张彦良的团队和哈佛大学的合作者已经拿到NIH的新资助，会设计并建造功能更强大的混合生物打印机，继续推进实验室培育器官。
长期目标是推进更大规模工程化组织的制造，并最终实现器官制造。
按圣母大学的说法，张彦良的最终目标，是做出一台自主智能的生物打印机，直接制造功能齐全的心脏、肾脏和肝脏。

生物打印组织一旦厚度超过几百微米，如果没有内部供血网络，就无法维持细胞存活。
氧气和营养物质无法扩散足够远以到达较大构建体内部的细胞，同时缺乏移除代谢废物的通道，组织便会退化。
Yanliang Zhang 和 Yu Shrike Zhang 的这项工作填补了再生医学中一个公认的空白。
其他学术团体通过不同的技术路径也追求着类似目标。
哈佛大学威斯研究所开发了 co-SWIFT 技术，将相互连接的血管网络嵌入心脏组织内；而斯坦福大学的 Mark Skylar-Scott 团队则致力于开发加速血管网络设计的平台，并刺激生长那些过于精细而无法直接3D打印的血管。
所有这些努力共同面临的挑战是分辨率：大多数现有方法可以制造较大的类血管通道，但在毛细血管尺度上力不从心——在该尺度下，天然血管系统变得过于精细，无法仅通过传统挤出式打印来复制。
圣母大学与哈佛医学院的混合方法——将气溶胶喷射打印与挤出式打印相结合，并利用机器学习来校准参数——代表了缩小这一差距最直接的尝试之一。

这项题为《毛细血管尺度层级化血管网络的混合生物打印》的研究由 Yuxuan Liao、Salvador Gallegos-Martínez、Xiao Kuang、Yipu Du、Yu Shrike Zhang 和 Yanliang Zhang 共同完成。
该研究得到了美国国立卫生研究院的支持，还登上了近期《自然·化学工程》（Nature Chemical Engineering）的封面。
当然，能打印出来和能移植到人身上，中间还隔着很长的路。
这个领域以前也让人兴奋过很多次，但毛细血管这个尺度上的突破，确实是不一样的一步。