美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Feinberg實(shí)驗(yàn)室近日在《Science Advances》期刊發(fā)表研究成果，成功利用其自主研發(fā)的FRESH（Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogels）三維生物打印技術(shù)，首次構(gòu)建出一個(gè)完全由膠原蛋白組成的微生理系統(tǒng)（microphysiologic system），為疾病研究與組織治療帶來重大突破，尤其為1型糖尿病的治療提供了全新可能。

微流控系統(tǒng)（也稱“器官芯片”或“微生理系統(tǒng)”）長期以來依賴硅膠或塑料等合成材料制造，因其加工便利。但這些非生物材料與人體組織相容性有限，難以完全復(fù)制體內(nèi)真實(shí)的生物環(huán)境，從而制約了它們?cè)谂R床前研究和組織再生中的應(yīng)用。

相比之下，膠原蛋白作為人體中最豐富的蛋白質(zhì)，廣泛存在于皮膚、肌肉、骨骼和內(nèi)臟等組織中，是構(gòu)建真實(shí)生物組織的理想材料。FRESH技術(shù)的創(chuàng)新之處，在于能夠在支撐性水凝膠中以極高精度打印軟性生物材料，如膠原蛋白和活細(xì)胞，打印完成后再移除支撐材料，保留完整結(jié)構(gòu)。

“我們現(xiàn)在可以在培養(yǎng)皿中，用純膠原蛋白、細(xì)胞和其它生物蛋白，打印出具有前所未有結(jié)構(gòu)分辨率和保真度的微流控系統(tǒng)，”該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與材料科學(xué)教授Adam Feinberg表示，“最重要的是，這些模型是完全生物性的，細(xì)胞在其中表現(xiàn)得更好?！?/p>

在最新研究中，團(tuán)隊(duì)展示了更復(fù)雜的血管化組織打印成果，構(gòu)建出具備類胰腺功能的組織模型，不僅在結(jié)構(gòu)上模擬真實(shí)血管通道（精細(xì)至100微米直徑），還可在生理?xiàng)l件下分泌胰島素，顯示出替代當(dāng)前類器官技術(shù)的潛力。

匹茲堡大學(xué)生物工程助理教授Daniel Shiwarski表示：“通過單步驟生物打印流程，我們實(shí)現(xiàn)了各種復(fù)雜設(shè)計(jì)的膠原‘CHIPS’（Collagen Hydrogel-based Integrated Perfusable Systems）制造，打印精度和結(jié)構(gòu)保真度超過目前已知的所有生物打印方法。”

該技術(shù)還結(jié)合了多材料3D打印能力，能夠同時(shí)打印細(xì)胞外基質(zhì)蛋白、生長因子及含細(xì)胞墨水，并集成至定制生物反應(yīng)器中，成功構(gòu)建出可按需釋放胰島素的厘米級(jí)胰腺類組織。

目前，該技術(shù)正在由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)孵化企業(yè)FluidForm Bio商業(yè)化。該公司組織治療總監(jiān)、論文共同作者Andrew Hudson博士及其團(tuán)隊(duì)，已在動(dòng)物模型中實(shí)現(xiàn)1型糖尿病的“體內(nèi)治愈”，并計(jì)劃在未來幾年內(nèi)啟動(dòng)人體臨床試驗(yàn)。

Feinberg強(qiáng)調(diào)：“這一成果的實(shí)現(xiàn)離不開跨學(xué)科的團(tuán)隊(duì)合作，從生物學(xué)到材料科學(xué)，各領(lǐng)域?qū)ｉL的融合是我們推動(dòng)技術(shù)走向應(yīng)用的關(guān)鍵?！?/p>

“現(xiàn)在的問題已不再是‘我們能不能打印’，而是‘我們應(yīng)該打印什么’?！盕einberg補(bǔ)充道，“我們正在將這項(xiàng)先進(jìn)制造能力與計(jì)算建模及機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)合，目標(biāo)是更準(zhǔn)確地理解所需構(gòu)建的組織類型，使其無論在模擬疾病研究還是在體內(nèi)治療中，都能實(shí)現(xiàn)理想功能。”

為推動(dòng)該技術(shù)在全球范圍的應(yīng)用，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃開放關(guān)鍵設(shè)計(jì)與技術(shù)，鼓勵(lì)其他研究機(jī)構(gòu)快速采納，并拓展至更多疾病與組織領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：Daniel Shiwarski et al, 3D Bioprinting of Collagen-based High-Resolution Internally Perfusable Scaffolds for Engineering Fully-biologic Tissue Systems,?Science Advances?(2025).?DOI: 10.1126/sciadv.adu5905.?www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu5905

編輯：王洪

排版：李麗