在研究人员展示的模拟肺泡囊水凝胶模型中，精美绝伦的血管网络不仅震撼视觉，而且证明了其中气道可以将氧气输送到周围的血管，攻克了 3D 打印含有复杂脉管系统功能性器官替代物的主要障碍。此外，研究人员还成功将含有肝细胞的生物打印构建物植入小鼠体内。

图 | 模拟肺泡囊的模型，气道和血管并未直接接触，但仍能够为红细胞提供氧气（来源：Rice University）

与 3D 打印各种奇形怪状的物品不同，3D 打印活体器官（哪怕厚度超过几毫米的组织）如果没有脉管系统作为提供营养和排除废物的通道，就会造成组织结构内部的活细胞很快死亡。因此，对于生物工程师来说，探索 3D 打印包含大量活细胞原型组织的方法，面临着巨大的挑战。

3D 打印包含复杂脉管系统的活体组织

“创建功能性组织替代物的最大障碍之一，就是我们无法打印能够为人类稠密组织提供营养的复杂脉管系统。”本次研究的主要领导者、莱斯大学（Rice University）布朗工程学院生物工程助理教授 Jordan Miller 说。

我们的器官实际上包含着独立的脉管网络，如肺部的气管和血管，或肝脏中的胆管和血管，这些复杂的脉管网络在物理和生化层面纠缠在一起，结构本身与组织功能密切相关。而这项研究所做的，是第一个直接和全面解决复杂脉管系统挑战的生物打印技术。

“肝脏特别有趣，因为它具有令人难以置信的 500 多种功能，可能仅次于大脑。”华盛顿大学（University of Washington）生物工程和病理学系助理教授 KellyStevens 说，”肝脏的复杂性意味着目前没有任何机器或疗法可以在肝脏生病时取代其所有功能。而生物打印的人体器官有朝一日可能会提供这种疗法。”

为了应对这一挑战，研究团队创建了一种新的开源生物打印技术，称为”组织工程立体光刻仪（SLATE）”。该系统使用激光增材制造技术，一次打印一层软水凝胶。

每一层由液体预水凝胶溶液打印，当暴露于蓝光时变成固体。数字光处理投影仪从下方发出光线，以像素大小从 10-50 微米不等的高分辨率显示结构的连续二维切片。随着每一层依次凝固，顶臂将不断增长的 3D 凝胶举起，刚好让液体暴露在投影仪的下一幅图像中。

这其中的关键是添加能够吸收蓝光的广泛用于食品工业的生物相容性光吸收剂，这些光吸收剂将凝固限制在非常精细的一层中。通过这种方式，该系统可以在几分钟内生产出具有复杂内部结构的柔软、水性、生物相容性凝胶。

对肺部模拟结构的测试显示，这些组织足够坚固，可以避免在血液流动和脉动”呼吸”过程中破裂。脉动”呼吸”是一种有节奏的吸气和呼气，模拟了人类呼吸的压力和频率。测试发现，当红细胞流经”呼吸”气囊周围的血管网络时，它们可以吸收氧气。这种氧气的运动类似于肺泡囊中的气体交换。

图 | 纠缠的血管网络（来源：Science）

为了验证打印组织的生物兼容性，研究团队将装载了肝细胞的 3D 打印组织植入患有慢性肝损伤的小鼠体内，组织具有用于血管和肝细胞的独立隔室。实验结果显示，肝细胞能够在植入后存活。