3D打印器官如何挽救移植患者的生命

• 全球器官短缺意味着许多患者在移植器官可用之前便已死亡。

• 一个新兴领域——组织工程，致力于生产人工组织和器官替代品，作为器官损伤的永久性解决方案。

• 生物医学工程研究人员正在开发名为支架的3D临时器官结构。

• 这些结构可能有助于再生受损组织，并有望进而制造人工器官。

由于全球器官短缺且器官捐献者有限，数以千计的患者在出现严重损伤、疾病或遗传性疾病时仍急需器官和组织。这些患者中有许多人在移植器官可用之前便已死亡。

组织工程是一个新兴领域，致力于生产人工组织和器官替代品，作为替换或修复损伤的永久性解决方案。

作为生物医学工程研究人员，我们正在开发名为支架的3D临时器官结构——这些结构可能有助于再生受损组织，并有望进而制造人工器官。这些组织还可用于多种组织工程应用，包括利用生物材料构建的结构进行神经修复。

组织打印

约2260万名患者需要神经外科干预，全球每年均以此治疗周围神经系统的损伤。这类损伤主要由机动车事故、暴力事件、工伤或难产等创伤性事件造成。预计到2025年，全球神经修复与再生的成本将超过4亿美元。

现有的外科技术可使外科医生重新对齐神经末端并促进神经生长。然而，受损神经系统的康复并不能得到保证，功能几乎从未完全恢复。

动物实验表明，若损伤破坏了超过两厘米的神经，则缺口无法得到适当桥接，可能导致肌肉功能或感觉丧失。在此情况下，使用支架桥接受损神经的两端非常重要，尤其是在大型神经损伤的情况下。

大型神经损伤（大于2厘米）需要支架充当桥梁，连接受损神经的两端。Image: Saman Naghieh

3D生物打印通过逐层打印构建三维结构，与3D打印机类似。利用这项技术，我们的研究团队制作了一种由患者神经细胞和生物材料构成的多孔结构，用以桥接受损神经。我们选用了源自藻类的海藻酸盐，因为人体不会排斥它。

尽管该技术尚未在人体上进行测试，但经过完善后，它具有潜力，可帮助等待组织和器官移植的患者。

材料方面的挑战

海藻酸盐是一种难以加工的材料，因为它在3D打印过程中容易塌陷。我们的研究重点在于开发新技术，以提高其可打印性。

对于神经修复而言，海藻酸盐具有利于活细胞生长和功能发挥的良好特性，但其较差的3D可打印性极大地限制了其制备。这意味着海藻酸盐在打印过程中容易流动，导致结构塌陷。我们开发了一种制备方法，即在由3D打印机制造的多孔海藻酸盐结构内包裹细胞。

此前的研究采用模塑技术制造无孔的块状海藻酸盐以改善神经再生；但细胞并不适应这种坚实环境。然而，3D打印多孔海藻酸盐结构具有挑战性，且常常无法实现。

我们的研究通过逐层打印多孔海藻酸盐结构来解决这一问题，而非采用模塑成型的块状海藻酸盐；该结构具有相互连通的孔隙，可提供对细胞友好的环境。细胞能够轻松彼此通讯并开始再生，而3D打印的海藻酸盐为其提供临时支撑。

一只由生物材料和细胞制成的3D打印人工耳。Image: Saman Naghieh

研究人员正朝着将3D打印结构投入应用的方向努力，以帮助患有神经损伤及其他损伤的患者。

在制成的海藻酸盐结构植入患者体内后，一个关键问题是它是否具有足够的机械稳定性，以承受人体组织施加的作用力。我们开发了一种新型数值模型，用于预测海藻酸盐结构的力学行为。

我们的研究将有助于理解细胞反应，这是评估海藻酸盐结构成功与否时需要考虑的主要因素。