美國東北大學生物打印技術和材料取得突破，有望實現(xiàn)3D打印人體器官

2025年2月22日，南極熊獲悉，據(jù)美國東北大學報道，活體組織生物打印技術取得突破，很快將實現(xiàn)3D打印血管和人體器官。來自美國東北大學生物工程學教授戴國豪及其同事最近為一種新型彈性水凝膠材料申請了專利，新材料專為3D打印軟活體組織而設計。

專利題為Biodegradable elastic hydrogels forbioprinting，獲取鏈接：https://coe.northeastern.edu/news/patent-for-new-material-for-3d-printing-of-living-tissues/

現(xiàn)代醫(yī)學利用 3D 打印技術制造顱骨板、髖關節(jié)、肢體假體和醫(yī)療器械等硬植入物。然而，戴教授表示，器官和軟組織的 3D 打印仍然是一項重大挑戰(zhàn)，他的研究重點是 3D 生物打印、干細胞和血管生物工程。

軟組織需要能夠拉伸和回縮的彈性材料，而現(xiàn)有材料則缺乏這種彈性。戴說：“彈性對于維持組織的正常功能非常重要?！苯鉀Q這一難題可以徹底改變醫(yī)學，并使器官移植成為過去。

照片來源：Alyssa Stone/東北大學。

水凝膠是一種能夠保持水分的合成聚合物。例如，它們可用于制作含有皮膚營養(yǎng)物質的面膜、輸送藥物的傷口敷料以及含有大量水分以提供舒適感和氧氣傳輸?shù)能浶噪[形眼鏡。戴說，傳統(tǒng)的水凝膠太脆弱，無法進行 3D 打印，因為它們無法承受拉伸或扭曲——這限制了它們的醫(yī)療應用。

為了解決這個問題，戴與德克薩斯大學阿靈頓分校的 Yi Hong 合作。Hong 找到了一種讓軟水凝膠具有彈性的方法，而戴則利用他在 3D 打印方面的專業(yè)知識進一步修改了這些水凝膠的某些特性，以便它們可以通過打印機。要通過打印噴嘴，材料必須是液體，但它還必須在打印物體后保持形狀。

這種新材料可溶于液體溶液，打印后可封裝大量水分。這對細胞生長非常有利，因為它模擬了人體環(huán)境，而人體平均由 60% 的水組成。打印前，細胞被注入液體溶液中。打印完成后，物體會暴露在藍光下，從而引發(fā)光化學反應，使凝膠具有彈性，而不會傷害活細胞。

照片來源：Matthew Modoono/東北大學

戴說：“你可以打印任何幾何形狀，例如，一根管子或一條血管。然后細胞在打印的結構內繁殖和生長，我們在脈動壓力下培養(yǎng)它們，以模擬人類的血壓?！?/div>

新型彈性水凝膠的另一個關鍵優(yōu)勢是可生物降解。目標是使聚合物完全可降解——同時細胞用自己的膠原蛋白和彈性蛋白代替它，形成堅固的天然血管。戴說：“它不是人體天然的，這就是為什么我們希望它最終完全消失。”

到目前為止，打印出來的血管（培養(yǎng)了兩周）仍然比較脆弱，還不能承受人體血壓。戴相信，將培養(yǎng)期延長到兩個月（這是一項昂貴的實驗）可以讓細胞完全發(fā)育出堅固的結構。

此外，研究人員正在努力加快水凝膠的降解速度，目標是在細胞成熟為功能性血管的同時，在兩到三個月內能夠溶解。這項技術有望最終使患者能夠利用自己的細胞制造血管。隨著水凝膠降解，人體將自然地替換它，從而形成功能齊全的組織或器官。