《Science》：斯坦福大学为3D打印心脏设计器官尺度的血管网络模型

时间：2025-06-15 10:01 来源：南极熊作者：admin 阅读：次

2025年6月14日，来自斯坦福大学的研究人员开发出一种更快、更精确的血管系统建模和打印方法，解决了利用患者自身细胞制造可移植器官的关键挑战。他们的方法以题为“Rapid model-guided design oforgan-scale synthetic vasculature for biomanufacturing”的论文发表在顶级杂志《科学》上。新的设计平台能够以比以往更快的速度生成与我们在人体中实际看到的相似的设计，并能够将这些设计转化为3D打印机的指令。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj6152

据斯坦福大学统计，美国有超过10万人在器官移植名单上，其中一些人需要等待数年才能获得器官，而另一些人甚至可能撑不过等待。即使器官匹配良好，人体也有可能产生排斥反应。为了缩短等待时间并降低排斥反应的可能性，再生医学研究人员正在开发利用患者自身细胞按需制造个性化心脏、肾脏、肝脏和其他器官的方法。

确保氧气和营养物质能够到达新生器官的每个部分是一项持续的挑战。斯坦福大学的研究人员开发出新的工具，用于设计和3D打印极其复杂的血管树，这些血管树负责将血液输送到整个器官。

斯坦福大学工程与医学院道格拉斯·M·和诺拉·莱什曼心血管疾病教授、儿科和生物工程教授、论文共同通讯作者艾莉森·马斯登说道：“目前，生物打印组织的规模化能力受限于能否为其生成血管——如果不提供血液供应，就无法扩大这些组织的规模。我们能够使生成血管的算法运行速度比以往方法快约 200 倍，并且可以生成器官等复杂形状的血管。”

器官尺度的脉管系统

当血液被泵送到体内某个器官时，它会从大动脉流向越来越细的分支血管，在那里与周围组织交换气体和营养物质。在大多数组织中，细胞需要在一根头发丝的宽度内才能生存，但在心脏等代谢需求旺盛的组织中，这个距离甚至更小——一个毫米大小的立方体中可能有超过 2500 条毛细血管。所有这些微小的血管最终都会重新汇合，然后离开器官。

这些血管网络并非标准化；器官形状各异，即使是两颗大小相似的心脏之间也存在很大差异。到目前为止，构建一个适合独特复杂器官的真实血管网络模型一直非常困难，而且极其耗时。许多研究人员转而依赖标准化的晶格，这些晶格在小型工程组织模型中效果良好，但规模化程度不高。

马斯登和她的同事们构建了一种算法，可以创建与原生器官血管结构高度相似的血管树，并通过他们的SimVascular开源项目将该软件开放给所有人使用。他们结合了流体动力学模拟，以确保血管系统能够均匀分布血液，并成功缩短了生成网络所需的时间，同时避免了血管之间的碰撞，并创建了一个只有单一入口和出口的闭环。

马斯登实验室的博士后学者、论文共同第一作者扎卡里·塞克斯顿说道：“我们花了大约五个小时才生成一个用于构建人体心脏血管的树状计算机模型。我们能够达到这样的密度：模型中任何一个细胞距离最近的血管大约只有100到150微米，这相当不错。该设计包含一百万条血管。这项任务以前从未有人做过，用以前的算法可能需要几个月的时间。”

虽然3D打印机尚无法打印如此精细密集的网络，但研究人员已经能够设计并打印一个包含500个分支的血管模型。他们还测试了一个更简单的版本，以确保其能够维持细胞存活。研究人员使用3D生物打印机，制作了一个装满人类胚胎肾细胞的厚环，并构建了一个由25条血管贯穿其中的网络。他们将一种充满氧气和营养物质的液体泵入该网络，成功地使靠近血管网络的大量细胞存活。

生物工程助理教授、论文共同通讯作者马克·斯凯拉-斯科特（Mark Skylar-Scott）说道：“我们证明了这些血管可以被设计、打印，并能够维持细胞的活性。我们知道还需要进一步研究来加快打印速度，但现在我们已经拥有了这条流程，可以非常高效地生成不同的血管树，并创建一套打印它们的指令。”

生物打印心脏

研究人员很快注意到，这些血管网络还不是功能性血管——它们是通过 3D 矩阵打印的通道，但它们没有肌肉细胞、内皮细胞、成纤维细胞或任何其他需要自行运作的细胞。

Skylar-Scott 实验室的博士后学者、论文共同第一作者 Dominic Rütsche 说道：“这是朝着生成真正复杂的血管网络迈出的第一步。我们可以打印出前所未有的复杂程度的血管，但它们还不是完全的生理性血管。我们正在努力实现这一点。”

将这些设计转化为功能性血管，只是斯凯拉-斯科特及其同事正在开展的生物打印功能性人类心脏的众多工作之一。他们还在探索如何促进最微小的血管（那些太小或间距太近而无法打印的血管）自行生长，改进3D生物打印机的性能，使其速度更快、精度更高，并培养打印完整心脏所需的大量细胞。

斯凯拉-斯科特说道：“这是整个过程中至关重要的一步。我们已经成功地利用人类干细胞生成了足够多的心脏细胞，足以打印出完整的人类心脏。现在，我们可以设计出一个良好、复杂的血管树，来维持这些细胞的营养和生命。我们现在正积极地将细胞和血管系统以器官的规模结合起来。”

(责任编辑：admin)

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