科学家3D生物打印肺细胞模拟极端条件，用于提高航空航天飞行安全和推进医疗研究
时间：2025-11-27 10:30 来源：南极熊 作者：admin 阅读：次
导读：在高空飞行或太空旅行会使人体暴露于压力、温度和氧气水平的极端变化之中——而传统的细胞培养无法模拟这些环境。
2025年现在，德克萨斯农工大学的研究人员找到了一种模拟这些极端条件的方法：使用 3D 生物打印。研究人员利用 3D 生物打印技术模拟出极端条件的肺细胞状态，揭示出一些见解，这些见解有望提高飞行员和宇航员的安全，同时推进药物研发和呼吸系统疾病研究。
这项由德克萨斯农工大学工程学院的裴志坚博士（ZJ Pei）与文理学院的秦洪民博士（Hongmin Qin）共同领导，并由美国空军科学研究办公室资助的计划。裴志坚教授说：“通过研究嵌入肺细胞的 3D 生物打印样本如何应对物理压力，我们正在推进极端环境对人类生物系统影响的基本原理的研究。”
△利用3D生物打印技术在极端条件下制作模型。图片来自Getty Images。
工程化构建逼真的肺模型
研究人员的方法兼具精准性和创新性。他们将含有活细胞的凝胶状生物墨水装入墨盒，逐层打印，从而创建出三维模型。与传统的二维培养方法相比，这些三维模型能更准确地反映人体细胞在压力下的行为。生物学教授秦洪民博士表示：“通过我们的三维方法，我们可以高度模拟天然组织及微环境，从而能够精确研究细胞活力、增殖和应激反应。”
极端环境会对人体健康造成严重损害。例如，飞行员和宇航员在压力或温度快速变化时，可能会出现肺部积液、中暑、组织损伤或器官衰竭等风险。秦教授表示：“我们的研究结果揭示了肺细胞如何应对生理和机械应激，包括压力和温度的变化。这些发现有望应用于改进低轨道环境下飞行员和宇航员的安全规程。”
△高温会造成损害：荧光图像显示，随着3D生物打印样本暴露于更高温度下，应激水平升高，存活率降低。图片来自德克萨斯农工大学。
航空航天领域的精度和优化
打造逼真的3D生物打印组织需要在精确度和细胞存活率之间取得微妙的平衡。秦教授解释说：“即使生物打印过程中出现微小的调整，也会对细胞的活力和增殖产生显著影响。”一项发表在《生物工程》期刊上题为“Effects of ExtremeTemperature on Human Bronchial Epithelial Cells in 3D Printed Samples“的研究表明，打印过程中较高的挤出压力和高达55°C的高温会增加氧化应激和细胞死亡，凸显了精确技术的重要性。为了优化结果，研究团队开发了一种4:1的胶原蛋白与藻酸盐生物墨水混合物，能够在六天内保持高达85%的细胞存活率。裴教授说道：“确定合适的生物打印参数使我们能够在保持细胞功能的同时，模拟真实的打印条件。”
除了航空航天应用之外，3D生物打印技术还能为研究慢性阻塞性肺疾病（COPD）等呼吸系统疾病提供更精确的模型，从而加速药物研发。秦教授说道：“我们的长期目标是在可控的实验室环境下开发工程化肺组织，为研究提供比传统二维细胞培养更真实的模型。”
对于裴和秦来说，用肺细胞进行 3D 打印不仅仅是一项成就：它是创新的基础，是下一代技术突破的“墨水”——一个细胞一个细胞地、一层一层地构建。
太空3D打印
近年来，增材制造公司、学术团队和商业机构一直在微重力环境下测试 3D 打印技术。
2023年，Redwire公司利用国际空间站（ISS）上的生物制造设施成功生物打印出人类膝关节半月板。打印出的半月板随后搭乘SpaceX公司的Crew-6任务返回地球进行详细分析。打印完成后，半月板在国际空间站上Redwire公司的先进空间实验处理器（ADSEP）中培养了14天。美国宇航局（NASA）宇航员弗兰克·鲁比奥、沃伦·霍伯格和斯蒂芬·鲍文与阿联酋宇航员苏尔坦·阿尔·内亚迪合作完成了这项实验。这一里程碑式的成果有望推动太空半月板损伤治疗的发展，而半月板损伤是美国军人经常面临的问题。
△SpaceX公司的猎鹰9号火箭将把国际空间站国家实验室资助的研究项目送往国际空间站。图片来自NASA。
此外，五家比利时公司和研究机构——Space Application Services、SCK CEN、QbD Group、BIOINX和Antleron——联合起来，利用 3D 打印技术制造了一颗人工心脏和循环系统，计划于 2025 年发射到国际空间站。作为AstroCardia项目的一部分，旨在研究心脏在轨道上的衰老情况，由于零重力条件，器官衰老速度在轨道上会加快 20 倍。
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