糖粉是萊斯大學(xué)食譜中的特殊成分，用于模仿人體在實(shí)驗(yàn)室生長(zhǎng)的組織中錯(cuò)綜復(fù)雜的分支血管。

在今天發(fā)表在《自然生物醫(yī)學(xué)工程》雜志上的研究中，賴斯生物工程師表明，他們可以通過(guò)用3-D打印糖的模板創(chuàng)建復(fù)雜的血管網(wǎng)絡(luò)，在相對(duì)較大的構(gòu)建體中使密集包裝的細(xì)胞存活兩周。賴斯布朗工程學(xué)院生物工程研究生Ian Kinstlinger說(shuō)：“ 工程化與臨床相關(guān)的組織的最大障礙之一就是將一個(gè)大的組織結(jié)構(gòu)與數(shù)以億計(jì)的活細(xì)胞包裝在一起?！?“在如此大的組織中為所有細(xì)胞提供足夠的氧氣和營(yíng)養(yǎng)，這是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)?！?/p>

Kinstlinger解釋說(shuō)，大自然通過(guò)復(fù)雜的血管網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展解決了這個(gè)問(wèn)題，該網(wǎng)絡(luò)通過(guò)我們的組織和器官以類似于樹(shù)枝的方式編織。隨著血管從中央軀干分支出來(lái)，血管的厚度同時(shí)變小，但數(shù)量卻增加，從而使氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有效地傳遞到整個(gè)身體的細(xì)胞。

金斯特林格說(shuō)：“通過(guò)開(kāi)發(fā)模仿自然存在的血管網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù)和新材料，我們已經(jīng)接近可以為足夠數(shù)量的細(xì)胞提供氧氣和營(yíng)養(yǎng)以達(dá)到有意義的長(zhǎng)期治療功能的地步?！?/p>

糖的模板在研究實(shí)驗(yàn)室的合著者Rice的生物工程助理教授Jordan Miller的實(shí)驗(yàn)室中用開(kāi)源的，經(jīng)過(guò)修改的激光切割機(jī)進(jìn)行了3D打印。

米勒說(shuō)：“我們?cè)谶@里開(kāi)發(fā)的3D打印工藝就像制作非常精確的焦糖布丁一樣。”他的最初靈感來(lái)自該項(xiàng)目的精致甜點(diǎn)。

米勒說(shuō)，復(fù)雜而細(xì)致的結(jié)構(gòu)是通過(guò)選擇性激光燒結(jié)實(shí)現(xiàn)的，這是一種3D打印工藝，將微小的粉末顆粒融合成固體3-D物體。與更普通的擠出3-D印刷(通過(guò)噴嘴沉積材料的熔融線)相反，激光燒結(jié)通過(guò)在干燥粉末填充床上的小區(qū)域輕輕熔化和融合來(lái)進(jìn)行工作。他說(shuō)，擠壓和激光燒結(jié)一次都可以形成一個(gè)3-D形狀的一個(gè)2-D層，但是激光方法可以生成結(jié)構(gòu)，否則這些結(jié)構(gòu)如果被擠壓則很容易塌陷。

米勒說(shuō)：“存在某些架構(gòu)，例如懸垂結(jié)構(gòu)，分支網(wǎng)絡(luò)和多血管網(wǎng)絡(luò)，這些在擠出印刷中確實(shí)無(wú)法很好地完成?！彼诓┦亢笃陂g演示了使用3-D擠出打印機(jī)進(jìn)行糖模板制作的概念。在賓夕法尼亞大學(xué)學(xué)習(xí)。米勒(Miller)在2013年加入萊斯(Rice)后不久就開(kāi)始從事激光燒結(jié)方法的研究。

他說(shuō)：“選擇性激光燒結(jié)使我們?cè)谒腥齻€(gè)維度上都擁有更多的控制權(quán)，使我們能夠輕松訪問(wèn)復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)仍保留糖材料的效用?！?/p>

糖在創(chuàng)建血管模板方面特別有用，因?yàn)樗诟稍飼r(shí)很耐用，并且可以快速溶解在水中而不會(huì)損壞附近的細(xì)胞。為了制造薄紙，Kinstlinger使用一種特殊的糖混合物來(lái)印刷模板，然后用液體凝膠中的細(xì)胞混合物填充印刷糖網(wǎng)絡(luò)周圍的體積。凝膠在數(shù)分鐘內(nèi)變成半固體，然后糖溶解并沖走，留下了養(yǎng)分和氧氣的開(kāi)放通道。

Kinstlinger說(shuō)：“這種方法的主要好處是我們可以快速生成每種組織結(jié)構(gòu)?！?“我們可以在不到五分鐘的時(shí)間內(nèi)創(chuàng)建出一些迄今為止最大的組織模型?！?/p>

米勒說(shuō)，這項(xiàng)新研究回答了兩個(gè)重要問(wèn)題：哪些糖可以燒結(jié)成連貫的結(jié)構(gòu)，什么計(jì)算算法可以衍生出模仿自然界中發(fā)現(xiàn)的復(fù)雜的分支架構(gòu)?

與研究系統(tǒng)Nervous System合作創(chuàng)建了在研究中生成樹(shù)狀血管結(jié)構(gòu)的計(jì)算算法，該系統(tǒng)使用計(jì)算機(jī)仿真制作受自然界圖案啟發(fā)的獨(dú)特藝術(shù)品，珠寶和家庭用品。

《神經(jīng)系統(tǒng)》的聯(lián)合創(chuàng)始人兼創(chuàng)意總監(jiān)，研究合著者杰西卡·羅森克蘭茨(Jessica Rosenkrantz)說(shuō)：“我們正在使用受自然啟發(fā)的算法來(lái)創(chuàng)建組織的功能網(wǎng)絡(luò)?！?“由于我們的方法是算法性的，因此有可能創(chuàng)建針對(duì)不同用途的定制網(wǎng)絡(luò)?！?/p>

在創(chuàng)建了以這些可計(jì)算生成的血管結(jié)構(gòu)圖案化的組織后，研究小組展示了通道內(nèi)內(nèi)皮細(xì)胞的播種，并致力于研究周圍組織中生長(zhǎng)的細(xì)胞(包括稱為肝細(xì)胞的嚙齒動(dòng)物肝細(xì)胞)的存活和功能。肝細(xì)胞實(shí)驗(yàn)是與華盛頓大學(xué)(UW)生物工程師和研究合著者凱利·史蒂文斯(Kelly Stevens)合作進(jìn)行的，凱利·史蒂文斯(Kelly Stevens)的研究小組專門研究脆弱的細(xì)胞，眾所周知，這些細(xì)胞很難在體外維持。

史蒂文斯說(shuō)：“與許多其他生物打印技術(shù)相比，這種方法可以與更廣泛的材料混合物一起使用?！?“這使它具有難以置信的通用性?！?/p>

Miller說(shuō)：“我們證明了通過(guò)3D血管網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行灌注使我們能夠維持這些大型的肝樣組織。盡管維持肝細(xì)胞功能仍然存在著長(zhǎng)期的挑戰(zhàn)，但能否產(chǎn)生大量組織并維持細(xì)胞在這些卷中有足夠的時(shí)間來(lái)評(píng)估其功能是向前邁出的令人振奮的一步?！?/p>