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科学家利用水凝胶3D打印可快速生成复杂脉管

更新时间: 2019-09-18 10:45:40  查看次数: 32    
       美国研究团队研发出新型生物打印技术,可快速生成有复杂内部结构的生物相容性水凝胶,用来模仿人体气管和血管等脉管系统,为未来人造功能性器官扫除一个重要的技术障碍。该突破性成果刊登在近日的《科学》杂志上。

       人造功能性组织的最大障碍之一,是无法制造出复杂的脉管系统将营养物质运送至人体组织中。此外,人体器官中还包含独立的脉管网络,例如肺中的气管和血管以及肝脏中的胆管和血管,这些相互渗透的网络在物理上和生物化学上是相互缠绕的,结构本身与组织功能密切相关。

       为了应对这一挑战,由美国莱斯大学的乔丹·米勒和华盛顿大学的凯利·史蒂文斯领导的研究团队开发出一种水凝胶3D打印技术。这种新的开源生物打印技术的核心是被称为“组织工程立体光刻仪”(SLATE)的设备和相应的蓝光吸收剂。该系统应用增材制造原理,在水凝胶预溶液中添加了蓝光吸收剂,使得吸收蓝光后凝固的水凝胶被限定在非常精细的一层中。

      该系统可以在几分钟内生成具有复杂内部结构的生物相容性水凝胶。这使科学家们能够创造出复杂的脉管网络,模拟人体血液、空气和淋巴等物质的自然通道。

      为了证明该研究的原理,科学家们生成了一个模拟肺泡的水凝胶模型,实验表明人造气管可将氧气输送至人造血管网络中,与人体肺泡的气体交换活动相似,红血球流经人造肺泡周围的血管网络时能够捕获氧气。此外,为了验证打印组织的生物兼容性,研究人员还将含有肝细胞的生物打印结构植入有慢性肝损伤的小鼠体内,结果显示,肝细胞能够在植入后存活。

      利用患者自身组织细胞通过生物打印来生成移植用功能性器官一直是科学家们的梦想,因为它不仅能解决来源稀缺问题,还能防止器官排斥。不过,史蒂文斯表示,肝脏的功能有500种之多,这样的复杂性意味着目前尚没有人造物可以替代,但未来的生物打印器官有望实现这一目标。预计生物打印在20年内将成为医学的重要组成部分。

水凝胶医用

      已有许多文献和专利报道了水凝胶作为药物载体的应用可行性,然而其中只有一部分已经投入到了商业应用。由于水凝胶独特的多孔结构使其在药物载体上的应用前景受到了广泛的关注。通过调节水凝胶基体树脂的交联度以及基体与水之间的亲和力就可以很容易的控制水凝胶的孔隙率,水凝胶的这种多孔结构也使其能够加载药物和释放药物。同时,水凝胶还能够在较长时间内维持药物不会失去活性,这对于水凝胶在药物载体领域用于药物的缓释提供了可能性。水凝胶加载-释放药物可以通过以下几种方式进行:扩散控制、溶胀控制、化学控制以及环境响应性释放。

      水凝胶作为药物传送的载体,能够有效的减轻许多病况的症状。Nho等提出了用聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮水凝胶产品用于治疗皮炎。这个产品内部含有药用植物如鱼腥草、榆树、红刀豆中的提取物,可用于治疗皮炎。将用于制备水凝胶的聚乙烯醇或据乙烯吡咯烷酮溶于药用植物提取液中,然后将溶液进行冷冻-解冻等物料交联得到水凝胶,最后将水凝胶用 γ 紫外光进行辐射灭菌,最终得到一个可透气型的水凝胶薄膜。此外,水凝胶还适用通过离子电渗的药物传递。欧洲专利 EP0524718 A1提出可以利用聚氨酯水凝胶作为单层药物的载体。这种水凝胶是将异氰酸酯封端的氧化烯预聚物的有机物溶液加入水中混合得到预聚物混合溶液,通过交联得到水凝胶。当有机溶剂蒸发完之后,水凝胶就可以作为药物载体。透皮离子电渗疗法是离子药物通过非常微弱的电流驱动透过皮肤进行药物传递,所施加的电流有助于粒子药物透过角质层到真皮层,其中的药物可以扩散到毛细管然后进入人体进行循环。水凝胶由于高的溶胀率、良好的柔韧性、强度和透明度,可以作为药物载体的基体材料。在眼科领域,聚乙二醇水凝胶作为药物载体进行眼部治疗。